DE10056673A1

DE10056673A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid

Info

Publication number: DE10056673A1
Application number: DE10056673A
Authority: DE
Inventors: Christian Wieser
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-05-29

Abstract

Zur Schaffung einer Vorrichtung zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid, umfassend einen Strömungskanal, in dem eine laminare Strömung des Fluids ausbildbar ist, wird vorgeschlagen, das mindestens eine Strömungsleiteinrichtung vorgesehen ist, welche derart in dem Strömungskanal angeordnet ist und derart ausgebildet ist, daß sie in der laminaren Strömung eine räumliche Umschichtung von Fluidschichten bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid, umfassend einen Strömungskanal, in dem eine laminare Strömung des Fluids ausbildbar ist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid, welches in laminarer Strömung strömt.

Bei einer laminaren Strömung eines Fluids liegt innere Reibung im wesentlichen ohne Turbulenz vor. Die Reynoldszahl einer solchen Strömung ist sehr niedrig. Für eine Kanal strömung liegt der Strömungsumschlag bei einer Reynoldszahl von 2300. Man beobachtet dann Reibung nur im Inneren des strömenden Fluids zwischen benachbarten Fluidschichten. Die einzelnen Fluidschichten in laminaren Strömungen haben dabei unterschiedliche Geschwindigkeit.

Beispielsweise treten laminare Strömungen bei der Zufuhr von Luftsauerstoff als Oxidationsmittel in elektrochemischen Zellen auf. In Brennstoffzellen beispielsweise wird Luft sauerstoff katalytisch aktiven, flächig ausgedehnten Elek troden zugeführt, um als Oxidationsmittel bei der elektro chemischen Reaktion zu wirken. Die Luft selber wird mittels einem oder mehreren Strömungskanälen auf der Oberfläche der Elektroden verteilt. Insbesondere liegt eine Gasdiffusions elektrode an einer Seite der Strömungskanäle auf, so daß der Sauerstoff aus der Luft großflächig zu der Gasdiffusions elektrode diffundieren kann. Kommerzielle Brennstoffzellen weisen eine hohe Leistungsdichte und Integrationsdichte auf, so daß die Strömungskanäle kleine Strukturen aufweisen (beispielsweise kleiner als 1 × 1 mm²). In der Praxis sind die Strömungsgeschwindigkeiten relativ klein (in der Größen ordnung von höchstens wenigen m/s). Daraus ergeben sich ent sprechend niedrige Reynoldszahlen, so daß sich in solchen Strömungskanälen sehr stabile laminare Fluidströmungen aus bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, bei der bzw. dem die Aufnahme und/oder Abgabe einer Substanz durch das laminar strömende Fluid über dessen Oberfläche optimiert ist.

Diese Aufgabe wird durch die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine Strömungsleiteinrichtung vorgesehen ist, welche derart in dem Strömungskanal angeordnet ist und derart ausgebildet ist, daß sie in der laminaren Strömung eine räumliche Umschichtung von Fluidschichten bewirkt.

Durch die laminare Strömung des Fluids findet keine turbu lente Durchmischung des Fluids in dem Strömungskanal statt. Dadurch kann sich ein Konzentrationsgradient der aufzunehmen den bzw. abzugebenden Substanz in dem Fluid ausgehend von der Aufnahmeoberfläche bzw. Abgabeoberfläche ausbilden. Bei spielsweise ist bei Luft als Fluid und Sauerstoff als Abgabe substanz die Luft in oberflächennahen Bereichen an Luftsauer stoff verarmt. Da in dem Strömungskanal die Substanz über die einzelnen Fluidschichten im wesentlichen nur durch Diffusion quer zur Richtung der laminaren Strömung transportiert werden kann, ist die Aufnahme bzw. Abgabe der Substanz durch das laminar strömende Fluid gehemmt.

Es ist bekannt, turbulenzerzeugende Strukturen wie Turbula toren oder Turbulenzpromotoren zur Förderung der Durch mischung des Fluids einzusetzen, wodurch wiederum die Ober flächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz gefördert wird, da der Ausbildung eines Konzentrations gradienten der Substanz in dem Fluid entgegengewirkt wird. Das Funktionsprinzip solcher turbulenzerzeugenden Strukturen liegt darin, einen Umschlag der Strömung von laminar in tur bulent zu bewirken, d. h. hohe Reynoldszahlen zu erzeugen. Dazu muß aber die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden und außerdem müssen die Abmessungen des Strömungskanals genügend groß sein. Weiterhin werden durch solche turbulenzerzeugenden Strukturen hohe Druckverluste bewirkt.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die Laminarität der Strömung erhalten bleibt, jedoch Fluidschichten in der laminaren Strömung umgeschichtet werden, wird dem Aufbau eines Konzen trationsgradienten der Substanz in dem Fluid entgegengewirkt.

Es wird die Oberflächenaufnahme bzw. Oberflächenabgabe der Substanz durch das Fluid verbessert. Der Transporthemmung der Substanz in dem laminar strömenden Fluid wird dadurch ent gegengewirkt. Da keine turbulente Durchmischung stattfindet, treten nur sehr geringe Druckverluste auf.

Damit läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft in Brennstoffzellen einsetzen, da die Oberflächenabgabe von Sauerstoff in einem laminaren Luftstrom gefördert wird, aber andererseits der Querschnitt eines Strömungskanals nur mini mal verengt wird unter Beibehaltung des verlustarmen lamina ren Charakters der Strömung. Insbesondere bei mobil einsetz baren Brennstoffzellen (beispielsweise Brennstoffzellen für ein Kraftfahrzeug) können geringe Druckverluste zu starken Einbußen beim Systemwirkungsgrad führen. Durch die erfin dungsgemäße Vorrichtung, die gewährleistet, daß der laminare Charakter der Strömung beibehalten wird, lassen sich der artige schädliche Druckverluste weitgehend vermeiden.

Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Strömungsleit einrichtung so angeordnet und ausgebildet, daß durch diese Schichtströme der laminaren Strömung eine transversale Ge schwindigkeitskomponente erhalten. Dadurch lassen sich ins besondere Schichtströme aus bezüglich der Oberfläche der laminaren Strömung tiefer liegenden Bereichen in Richtung der Oberfläche umlenken und Schichtströme aus oberflächennahen Bereichen in tiefere Bereiche umlenken, um so dem Aufbau eines Konzentrationsgradienten der Substanz in dem Fluid entgegenzuwirken und so die Transporthemmung der Substanz bezüglich der Oberflächenaufnahme bzw. Oberflächenabgabe zu mindern.

Günstigerweise ist dabei die mindestens eine Strömungsleit einrichtung so angeordnet und ausgebildet, daß eine Umschich tung von Fluidschichten der laminaren Strömung derart er folgt, daß Fluidschichtströme aus der der Aufnahmeoberfläche bzw. Abgabeoberfläche des Fluids näherliegenden Bereichen der Strömung in weiter entfernt liegende Bereiche umgelenkt werden. Es werden dadurch an der Substanz arme Fluidschichten bei der Oberflächenabgabe bzw. an Substanz reiche Fluidschichten bei der Oberflächenaufnahme in substanzreiche bzw. substanzarme Bereiche aufgrund ihres Abstands zu der Oberfläche umgelenkt.

Günstigerweise ist dann ebenso die mindestens eine Strömungs leiteinrichtung so angeordnet und ausgebildet, daß Fluidschichtströme aus der der Aufnahmeoberfläche bzw. Ab gabeoberfläche des Fluids entfernter liegenden Bereichen der Strömung in dieser Oberfläche näherliegende Bereiche umge lenkt werden. Bei der Oberflächenaufnahme einer Substanz werden dadurch Fluidschichtströme aus substanzarmen Bereichen zu der Oberfläche hin umgelenkt, um dort die Substanz auf nehmen zu können und bei der Abgabe werden substanzreichere Fluidschichten in Richtung der Oberfläche umgelenkt, um für eine Verbesserung der Substanzabgabe zu sorgen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Strömung im Strömungskanal im wesentlichen turbulenz frei ist. Dadurch treten keine Druckverluste oder nur sehr geringe Druckverluste auf und insbesondere auch keine Druckoszillationen, die den Wirkungsgrad beispielsweise einer Brennstoffzelle, welcher Luftsauerstoff zugeführt wird, ver ringern könnten.

Günstigerweise ist die mindestens eine Strömungsleiteinrich tung so angeordnet und ausgebildet, daß sich Fluidströme unterschiedlicher Fluidschichten kreuzen. Dadurch wird eine effektive räumliche Umschichtung von Fluidschichten bewirkt, um so der Ausbildung eines Konzentrationsgradienten der Substanz in der laminaren Strömung entgegenzuwirken und damit die Oberflächenaufnahme bzw. Oberflächenabgabe der Substanz zu verbessern.

Günstig ist es, wenn die mindestens eine Strömungsleit einrichtung eine Struktur umfaßt, deren Abmessungen quer zur Strömungsrichtung der laminaren Strömung variieren. Auf diese Weise kann den Fluidschichtströmen einzelner Fluidschichten eine transversale Geschwindigkeitskomponente erteilt werden, um so eine räumliche Umschichtung zu bewirken.

Günstig ist es, wenn die mindestens eine Strömungsleit einrichtung so angeordnet und ausgebildet ist, daß längs des Strömungskanals eine im wesentlichen regelmäßige Umschichtung von Fluidschichten erfolgt. Die Längsrichtung des Strömungs kanals ist dabei so definiert, daß sie parallel zur Haupt strömungsrichtung der laminaren Strömung ist. Durch eine der artige Anordnung und Ausbildung ist gewährleistet, daß an der Aufnahmeoberfläche bzw. Abgabeoberfläche des Fluids in dem Strömungskanal im wesentlichen ähnliche Bedingungen herrschen und stark lokalisierte Konzentrationserhöhungen bzw. Konzen trationserniedrigungen der Substanz in oberflächennahen Schichten vermieden sind.

Günstig ist es dabei, wenn die mindestens eine Strömungsleit einrichtung eine Mehrzahl von strömungsleitenden Strukturen umfaßt, welche bezüglich der Längsrichtung der Strömungs richtung in regelmäßiger Abfolge angeordnet sind. Dadurch läßt sich auf eine einfache Weise eine oszillatorische räum liche Umschichtung erzielen, die bezüglich einer mittleren Konzentration der Substanz an der Oberfläche eine geringe Standardabweichung aufweist, so daß stark lokalisierte Konzentrationsgradienten vermieden sind.

Bei einer ersten Ausführungsform umfaßt die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung eine Strömungswenderstruktur, welche dem Fluid in der laminaren Strömung eine Drall erteilt. Es hat sich in Simulationsrechnungen gezeigt, daß derartige Strukturen unter geringem konstruktiven Aufwand eine signi fikante Verbesserung beispielsweise der Oberflächenabgabe einer Substanz durch das laminar strömende Fluid bewirken. Beispielsweise wurde für den Wirkungsgrad einer Brennstoff zelle mit Luft als laminar strömendes Fluid und Sauerstoff als abzugebende Substanz an Elektroden der Brennstoffzelle durch eine Strömungswenderstruktur eine zwölfprozentige Leistungssteigerung bezüglich der Stromdichte an der Strömungswenderstruktur erreicht.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Strömungswender struktur eine Spiralstruktur aufweist, um dem Fluid in der laminaren Strömung einen Drall zu erteilen.

Günstig ist es dabei, wenn eine Längsachse der Strömungs wenderstruktur parallel zur Längsrichtung des Strömungskanals ausgerichtet ist. Dadurch bleibt die Hauptströmungsrichtung der laminaren Strömung erhalten, wobei gleichzeitig für die räumliche Umschichtung der Fluidschichtströme gesorgt wird.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Strömungswenderstruktur in dem Strömungskanal angeordnet ist. Sie kann dazu beispielsweise in den Strömungskanal ein gelegt sein.

Bei einer weiteren Variante einer Ausführungsform ist die Strömungswenderstruktur durch die Kanalwände selber gebildet. Dazu können die Kanalwände eine konkave Struktur aufweisen, d. h. aus den Kanalwänden treten "positive" Züge hervor. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Kanalwände eine konvexe Struktur zur Bildung der Strömungswenderstruktur aufweisen; dies bedeutet, daß "negative" Züge in die Kanalwände ein gelassen sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Strömungsleit einrichtung einen oder mehrere Verdrängungskörper, welche Barrieren für die Strömung im Strömungskanal sind. An solchen Verdrängungskörpern kann die laminare Strömung sich teilweise "abschälen", d. h. es wird eine Umlenkung von Fluidschichtströmen der laminaren Schichtströmung bewirkt, was wiederum zu einer räumlichen Umschichtung führt. Der artige Verdrängungskörper lassen sich insbesondere kosten günstig herstellen und auf einfache Weise in einen beispiels weise bereits vorhandenen Strömungskanal einsetzen.

Bei einer Variante dieser Ausführungsform ist ein Ver drängungskörper keilförmig ausgebildet. Simulationsrechnungen haben gezeigt, daß bei Brennstoffzellen bei vernachlässig baren Druckverlusten derartige Keile Leistungsverbesserungen in der Größenordnung von 10% liefern können.

Günstig ist es dabei, wenn ein keilförmiger Verdrängungs körper so angeordnet ist, daß seine schiefe Keilfläche der Strömungsrichtung der laminaren Strömung zugewandt ist. Dadurch läßt sich ein effektives "Abschälen" bewirken, um so eine effektive räumliche Umschichtung von Fluidschichten zu verursachen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strömungsleit einrichtung mindestens ein Paar keilförmiger Verdrängungs körper umfaßt. Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise beim Einbau eines solchen Verdrängungskörperpaares über die ge samte Länge eines Strömungskanals mit einer effektiven Ab gabenoberfläche der Druckverlust vernachlässigbar ist und eine Leistungsverbesserung beispielsweise bei einer Brenn stoffzelle auftritt, die in der Größenordnung von 10% liegt.

Um eine effektive Umschichtung zu bewirken, ist es besonders vorteilhaft, wenn die schiefen Keilflächen eines Ver drängungskörperpaares quer zueinander angeordnet sind.

Günstig ist es auch, wenn die Verdrängungskörper eines Ver drängungskörperpaares in einer Querrichtung des Strömungs kanals versetzt zueinander angeordnet sind, um so eine effek tive Umschichtung zu bewirken.

Weiterhin ist es günstig, wenn die schiefen Keilflächen eines Verdrängungskörperpaares entgegengerichtete Komponenten vektoren bezüglich der Längsrichtung des Strömungskanals auf weisen, um so eine effektive "Abschälung" von Fluidschichtströmen zu bewirken, um so wiederum eine räum liche Umschichtung zu verursachen.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist ein Ver drängungskörper so angeordnet und ausgebildet, daß Fluidschichtströme von ersten Wänden des Strömungskanals in Richtung zweiter Wände des Strömungskanals umlenkbar sind. Bei einer weiteren Variante ist ein Verdrängungskörper so angeordnet und ausgebildet, daß Fluidschichtströme von geschlossenen Wänden des Strömungskanals in Richtung offener Kanalwände umlenkbar sind. Insbesondere lassen sich diese beiden Varianten auch kombinieren, um so einen effektiven räumlichen Austausch von Fluidschichten zu ermöglichen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung der genannten Vorrichtung in einer elektrochemischen Zelle. Dadurch, daß sich erfindungsgemäß die Notwendigkeit eines Strömungs umschlags von laminar zu turbulent vermeiden läßt, tritt höchstens ein sehr geringer Druckverlust auf. Außerdem müssen keine praxisfremden Betriebszustände, wie beispielsweise hohe Strömungsgeschwindigkeiten, der elektrochemischen Zelle auf gezwungen werden. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich die elektrochemischen Zellen in ihrem optimalen Parameterbereich betreiben, wobei eine optimale Versorgung von Sauerstoff sichergestellt ist. Beispielsweise läßt sich die Vorrichtung in einer Elektrolysezelle verwenden.

Ganz besonders vorteilhaft läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Brennstoffzeile verwenden. Brennstoff zellen und insbesondere mobil einsetzbare Brennstoffzellen beispielsweise in einem Kraftfahrzeug weisen hohe Inte grationsdichten auf und es werden hohe Anforderungen an die Systemeffizienz gestellt. Die dort verwendeten Strömungs kanäle weisen kleine Kanalabmessungen auf und die Strömungs geschwindigkeit ist relativ niedrig. Durch die erfindungs gemäße Vorrichtung wird für eine gute Bereitstellung bei spielsweise von Sauerstoff aus einem laminaren Luftstrom zu Elektrodenflächen gesorgt, wobei Druckverluste weitgehend vermieden sind, da kein Strömungsumschlag von laminar in turbulent förderlich ist, d. h. die Vorrichtung weiterhin mit kleinen Reynoldszahlen betreibbar ist. Insbesondere führt der Strömungskanal dabei zu einer Elektrode, um dieser Sauerstoff zuzuführen. Der Sauerstoff stammt insbesondere aus laminar strömender Luft.

Die erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner bei einem eingangs genannten Verfahren gelöst, bei dem durch eine Strömungsleiteinrichtung Fluidschichten der laminaren Strömung umgeschichtet werden.

Dieses Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und ihre Vorteile sind bereits im Zusammenhang mit der erfindungs gemäßen Vorrichtung und ihrer Verwendung erläutert.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs beispiele dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b in schematischer Darstellung eine laminare Strömung in einem geschlossenen Kanal mit rechteckförmigem Querschnitt in einer Längsschnittansicht (Fig. 1a) und einer Querschnittansicht (Fig. 1b);

Fig. 2a, 2b die Oberflächenabgabe einer Substanz aus einem Fluid, welches in einem Strömungs kanal in laminarer Strömung strömt, wobei der Strömungskanal der Abgabeoberfläche des Fluids zugewandt offen ist, in einer Längs schnittansicht (Fig. 2a) und einer Quer schnittansicht (Fig. 2b);

Fig. 2c den Verlauf der Konzentration der Abgabe substanz über der Höhe des Strömungskanals gemäß den Fig. 2a, 2b;

Fig. 3a, 3b, 3c, 3d jeweils Varianten einer Strömungswender struktur als Strömungsleiteinrichtung, welche in einem Strömungskanal angeordnet ist;

Fig. 4 das Verhältnis der lokalen Stromdichte einer elektrochemischen Zelle, welcher Luft in laminarer Strömung in einem Strömungs kanal zugeführt wird, wobei in einem Teil stück des Strömungskanals eine Strömungs wenderstruktur gemäß Fig. 3a angeordnet ist;

Fig. 5 eine weitere Variante einer Strömungs wenderstruktur, welche in einem Strömungs kanal mit halbrundem Querschnitt angeordnet ist, in schematischer Längsschnittansicht parallel zur Oberfläche (rechtes Teilbild) und im Querschnitt (linkes Teilbild);

Fig. 6a die Strömungswenderstruktur gemäß Fig. 5 in Längsschnittansicht senkrecht zur Fluid oberfläche;

Fig. 6b einen Querschnitt des Strömungskanals gemäß Fig. 6a, wobei in Wänden des Strömungs kanals eine konkave Struktur gebildet ist;

Fig. 6c einen Querschnitt des Strömungskanals gemäß Fig. 6a, wobei in den Wänden des Strö mungskanals eine konvexe Struktur gebildet ist;

Fig. 7a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strömungsleiteinrichtung, welche in einem Strömungskanal mit quadratischem Quer schnitt angeordnet ist, wobei die Strö mungsleiteinrichtung einen keilförmigen Verdrängungskörper umfaßt, in Längsschnitt ansicht parallel zur Fluidoberfläche (rechtes Teilbild) und im Querschnitt (linkes Teilbild);

Fig. 7b den Strömungskanal gemäß Fig. 7a in einer Längsschnittansicht quer zu der der Fig. 7a;

Fig. 7c ein weiteres Ausführungsbeispiel von in einem Strömungskanal angeordneten Ver drängungskörpern;

Fig. 8a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strömungsleiteinrichtung mit Verdrängungs körpern, wobei ein Paar keilförmiger Ver drängungskörper in dem Strömungskanal ange ordnet ist, in einer Längsschnittansicht (rechtes Teilbild) und im Querschnitt (linkes Teilbild);

Fig. 8b eine Längsschnittansicht des Strömungs kanals gemäß Fig. 8a quer zur Ansicht der Fig. 8a;

Fig. 8c ein weiteres Ausführungsbeispiel von paar weise angeordneten Verdrängungskörpern;

Fig. 9 die Stromdichte I einer Brennstoffzelle, welcher über einen Strömungskanal gemäß Fig. 8a Sauerstoff als Oxidationsmittel mittels Luft in laminarer Strömung zu geführt wird, über der Kanallänge P des Strömungskanals; verglichen ist darin die Stromdichte, wenn eine Strömungsleit einrichtung mit paarweisen keilförmigen Verdrängungskörpern in dem Strömungskanal angeordnet ist und entsprechend ohne solche Verdrängungskörper. Das Diagramm ist das Ergebnis einer Simulation;

Fig. 10a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strömungsleiteinrichtung in einer Längs schnittansicht (rechtes Teilbild) und in einer Querschnittsansicht (linkes Teil bild);

Fig. 10b den Strömungskanal gemäß Fig. 10a in einer Längsschnittansicht quer zu derjenigen der Fig. 10a;

Fig. 10c ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strömungsleiteinrichtung, welche in dem Strömungskanal angeordnete Verdrängungs körper umfaßt;

Fig. 11a, 11b ein weiteres Ausführungsbeispiel in Längs schnittansichten (Fig. 11a, rechtes Teil bild; Fig. 11b) und im Querschnitt (Fig. 11a, linkes Teilbild) von einem in einem Strömungskanal mit quadratischem Quer schnitt angeordneten Verdrängungskörper, wobei bei den gezeigten Varianten der Ver drängungskörper durch eine in einem Ein legeblech gebildete Erhebung gebildet ist;

Fig. 11c, 11d ein weiteres Ausführungsbeispiel in Längs schnittansichten (Fig. 11c, Fig. 11d) von in einem Strömungskanal mit quadratischem Querschnitt angeordneten Verdrängungs körpern, wobei bei den gezeigten Varianten die Verdrängungskörper durch in Einlege blechen gebildete Erhebungen gebildet sind und;

Fig. 12a, 12b, 12c, 12d weitere Varianten eines weiteren Aus führungsbeispiels einer in einem Strömungs kanal mit quadratischem Querschnitt ange ordneter Strömungsleiteinrichtung, wobei die Strömungsleiteinrichtung Leitbleche aufweist.

Eine laminare Strömung 10 eines Fluids 12 (Fig. 1a) ist eine Strömung mit innerer Reibung, aber ohne Wirbelbildung. Die innere Reibung ist eine Folge der Kraftwirkung zwischen den Molekülen des Fluids. Die Reibung tritt dabei nur im Innern des strömenden Mediums zwischen benachbarten Flüssigkeits schichten 14a, 14b auf, wobei die einzelnen Flüssigkeits schichten unterschiedliche Geschwindigkeit aufweisen und aneinander vorbeigleiten. Es bildet sich dann in Abhängigkeit eines Strömungskanals 16, in dem das Fluid 12 strömt, ein Geschwindigkeitsprofil 18 aus, wobei in einzelnen Flüssig keitsschichten 14a, 14b Fluidschichtströme unterschiedlicher Geschwindigkeit vorliegen.

Die laminare Strömung 10, welche sich aus der Summe der Fluidschichtströme zusammensetzt, weist eine Hauptstrom richtung 22 auf.

Da die Strömungsgeschwindigkeit in Fluidschichten 24 un mittelbar an Kanalwänden 26 des Strömungskanals 16 Null ist, hängt die Form des Geschwindigkeitsprofils 18 von der Aus bildung des Strömungskanals 16 ab.

In den Fig. 1a, 1b ist ein Strömungskanal mit quadrati schem Querschnitt 28 gezeigt, welcher allseitig geschlossen ist.

Eine laminare Strömung 10 bildet sich, wenn die Reynoldszahl der Strömung klein ist und bei einer Kanalströmung insbe sondere kleiner ist als 2300. Da die Reynoldszahl definiert ist als das Produkt einer charakteristischen Länge und der Strömungsgeschwindigkeit geteilt durch die kinematische Viskosität, liegt dann eine laminare Strömung 10 vor, wenn die Querabmessungen des Strömungskanals 16 klein sind und die Strömungsgeschwindigkeit klein ist.

Bei elektrochemischen Zellen und insbesondere Brennstoff zellen wird Luftsauerstoff in einem Luftstrom als Oxidations mittel zu katalytisch aktiven, flächig ausgedehnten Elek troden zugeführt (in der Zeichnung nicht gezeigt). Insbe sondere in mobilen Brennstoffzellen sind Strömungskanäle mit kleinen Abmessungen vorgesehen, um so eine hohe Integrations dichte und Leistungsdichte zu erreichen. Dementsprechend ist die Reynoldszahl der Luftströmung niedrig und die Strömung selber in solchen Strömungskanälen ist laminar mit hoher Stabilität. In Fig. 2a ist schematisch ein solcher Strömungskanal 30 für eine elektrochemische Zelle gezeigt. Dieser Strömungskanal 30 weist beispielsweise einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt 32 auf (Fig. 2b) und ist bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel an einer Kanalseite 34 hin offen. Dadurch kann aus der laminaren Luft strömung 36 als Fluidströmung an der offenen Kanalseite 34 Luftsauerstoff als Abgabesubstanz entnommen werden, d. h. eine Abgabeoberfläche der Luftströmung 36 ist der offenen Kanalseite 34 hin zugewandt und über diese Abgabeoberfläche erfolgt eine Abreicherung der Luftströmung an Sauerstoff.

Der Sauerstofftransport in der Luftströmung 36 zwischen ein zelnen Fluidschichten der laminaren Strömung quer zur Haupt strömungsrichtung 38 erfolgt dabei im wesentlichen nur durch Diffusion. Aufgrund der Ausbildung der Luftströmung 36 als laminare Strömung erfolgt kein weiterer Stoffaustausch. Dies bedeutet, daß sich senkrecht zur offenen Seite 34 hin ein Konzentrationsgradient bezüglich des Sauerstoffgehalts in der Luftströmung 36 ausbildet (Fig. 2c). Der Transport des Luftsauerstoffes in eine Transportrichtung 40 quer zur Haupt strömungsrichtung 38 ist gehemmt und je näher eine Fluidschicht zur Abgabeoberfläche und damit zur offenen Kanalseite 34 liegt, desto leichter kann eine solche Luft schicht Luftsauerstoff abgeben. Demgemäß ist, wie in Fig. 2c gezeigt, die Sauerstoffkonzentration als Substanz, welche die Luft als Fluid abgibt, in oberflächennahen Bereichen 42 ver ringert und in oberflächenfernen Bereichen 44 erhöht. Es bildet sich somit ein Konzentrationsgefälle längs der Substanz-Transportrichtung 40 und damit senkrecht zur offenen Kanalseite 34 hin in der laminaren Luftströmung 36 aus.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, wie in Fig. 3a gezeigt, in dem Strömungs kanal 30 eine als Ganzes mit 48 bezeichnete Strömungsleit einrichtung angeordnet.

Die Strömungsleiteinrichtung 48 umfaßt eine Strömungswender struktur 50, welche spiralförmig ausgebildet ist. Diese Strömungswenderstruktur 50 erteilt einer Fluidströmung 52 in dem Strömungskanal 30 einen Drall, so daß bezogen auf die offene Kanalseite 34 Fluidschichten räumlich umgeschichtet werden und insbesondere bezüglich der Substanz-Transport richtung 40 umgeschichtet werden.

Dadurch gelangen Fluidschichtströme aus der offenen Kanal seite 34 entfernter liegenden Bereichen in dieser näher liegende Bereiche und umgekehrt Fluidschichtströme aus näher liegenden Bereichen in weiter entfernt liegende Bereiche. Fluidschichten mit einem geringeren Substanzanteil aufgrund der Substanzabgabe durch das Fluid dort aus der offenen Kanalseite hin näher liegenden Bereichen werden also von der Oberfläche des Fluids weggeführt und substanzreichere Fluidschichten werden zu der Oberfläche hingeführt, um ins gesamt bezogen auf die Gesamtströmung für eine bessere Abgabe der Substanz zu sorgen. (Entsprechend umgekehrt sind die Ver hältnisse, wenn eine Substanz an der Oberfläche des Fluids aufgenommen werden soll.) Diese räumliche Umschichtung des Fluids wirkt damit der Bildung eines Konzentrations gradienten, wie er in Fig. 2c gezeigt ist, entgegen und somit wird insgesamt die Substanzabgabe über die Oberfläche der Fluidströmung 52 bessert. (Entsprechend wird die Substanzaufnahme verbessert, wenn der Oberfläche eine Substanz zugeführt wird.)

Bei dem in Fig. 3a gezeigten Ausführungsbeispiel ist in dem Strömungskanal 30 ein spiralförmiger Strömungswender mit einem Spiralwinkel von 180° angeordnet. Es können jedoch auch Drehwinkel größer oder kleiner als 180° vorgesehen sein. Eine Längsrichtung dieser Strömungswenderstruktur 50 ist dabei im wesentlichen parallel zu einer Längsrichtung des Strömungs kanals 30 angeordnet und damit auch im wesentlichen parallel zu einer Hauptströmungsrichtung der Fluidströmung 52 ausge richtet.

Die Länge der Strömungswenderstruktur 50 entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen der Länge der offenen Kanalseite 34, d. h. die Länge der Strömungswender struktur 50 entspricht in ihren Abmessungen der Länge der Oberfläche, über welche die Substanzabgabe bzw. Substanz aufnahme erfolgt.

Die Ansicht 54 zeigt die Strömungswenderstruktur 50 in dem Strömungskanal 30 im Querschnitt.

Bei dem in Fig. 3b gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt die Strömungsleiteinrichtung eine Strömungswender struktur 56, welche eine Mehrzahl von beabstandet im Strömungskanal 30 angeordneten Spiralstrukturen 58 umfaßt. Eine einzelne Spiralstruktur weist dabei einen Drehwinkel von beispielsweise 180° auf.

Bei dem in Fig. 3c gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine entsprechende Strömungswenderstruktur 60 gleich aufgebaut wie die Strömungswenderstruktur 56 gemäß Fig. 3b, wobei jedoch die einzelnen Spiralstrukturen 58 jetzt über Stege 62 ver bunden sind. Dadurch läßt sich die Strömungswenderstruktur 60 einfacher handhaben und insbesondere läßt sie sich auf ein fachere Weise in dem Strömungskanal 30 montieren.

Bei dem in Fig. 3d gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel einer Strömungswenderstruktur 64 ist diese als Spiralband ausgebildet, welches regelmäßig aufeinanderfolgende Spiral strukturen 66 umfaßt. Es ist damit eine Kette von Spiral strukturen 66 gebildet.

In Fig. 4 ist ein Diagramm gezeigt, welches das Ergebnis einer numerischen Simulation an einem Strömungskanal gemäß Fig. 3a mit einer Strömungswenderstruktur 50 ist, wobei jedoch diese Strömungswenderstruktur nicht über die gesamte Länge des Strömungskanals angeordnet ist, sondern nur über ein Teilstück. P ist ein Ort im Strömungskanal in dessen Längsrichtung. Ein Ende der Strömungswenderstruktur 50 ist dabei an der Position 68 angeordnet und weist eine Länge von 4 mm auf. Der Strömungskanal selber weist eine Länge von ca. 300 mm auf, d. h. das Teilstück des Strömungskanals, welches durch die Strömungswenderstruktur 50 eingenommen wird, ist ungefähr 1,3% bezogen auf die gesamte Strömungskanallänge.

Auf der Ordinate aufgetragen ist eine numerisch in Simulation ermittelte Stromdichteverteilung V, welche definiert ist als die Stromdichte mit Strömungswenderstruktur 50 bezogen auf die Stromdichte ohne Strömungswenderstruktur 50 bezogen auf 1. In dem Diagramm ist also direkt die prozentuale Erhöhung aufgrund der Strömungswenderstruktur 50 dargestellt.

Die Stromdichte ist die Stromdichte in einer elektro chemischen Zelle aufgrund elektrochemischer Reaktionen, wobei diese bestimmt ist durch die Sauerstoffzufuhr als Oxidations mittel. Diese Sauerstoffzufuhr ist wiederum bestimmt durch den Stofftransport des Luftsauerstoffs aus der Strömung der Luft als laminar strömendes Fluid.

Wie man aus dem Diagramm der Fig. 4 erkennen kann, bewirkt die Strömungswenderstruktur 50 in dem Teilstück des Strö mungskanals eine Erhöhung der Stromdichte lokal bis zu 12%. Die Erhöhung der Stromdichte ist dabei nicht begrenzt auf das Teilstück selber, sondern erstreckt sich noch über mehrere Zentimeter der Kanallänge und näherungsweise über ca. 17% der Kanallänge, obwohl die Strömungswenderstruktur 50 nur ca. 1,3% dieser Kanallänge einnimmt.

Die Strömungswenderstruktur 50 fördert damit erheblich die Abgabe von Luftsauerstoff über die Oberfläche der Luft strömung, indem Fluidschichten der laminaren Strömung räum lich umgeschichtet werden und insbesondere Fluidschicht strömen ein Drall erteilt wird und diese eine transversale Geschwindigkeitskomponente im Bereich der Strömungswender struktur 50 erhalten.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 5, 6a gezeigt ist, liegt ein rohrförmiger Strömungs kanal 70 mit halbrundem Querschnitt 72 vor. An Kanalwänden 74 ist eine spiralförmige Struktur 76 angeordnet, welche dem laminar strömenden Fluid einen Drall erteilt und somit eine Umschichtung von Fluidschichten bezogen auf eine Quer schnittsrichtung 78 bewirkt.

Zu einer offenen Kanalseite 80 hin läßt sich dann eine Substanz aus dem Fluid abnehmen bzw. über diese offene Kanal seite 80 läßt sich eine Substanz in das Fluid einbringen, ohne daß ein starker Konzentrationsgradient aufgrund der laminaren Strömung die Abgabe bzw. Aufnahme verhindern kann.

Die Struktur 76 läßt sich auf einfache Weise dadurch bilden, daß diese in die Kanalwände 74 integriert ist, wobei der artige Strukturen 76 beispielsweise durch Prägung oder Pres sung oder Spritzguß herstellbar sind. Dabei sollten möglichst Hinterschneidungen vermieden werden.

In Fig. 6b ist eine Variante einer Struktur 76 dargestellt, welche einen Zug 82 umfaßt, der in den Kanalwänden 74 konvex gebildet ist, d. h. in diese eingelassen ist.

In Fig. 6c ist als weiteres Beispiel ein konkaver Zug 84 gezeigt, welcher über die Kanalwände 74 hervortritt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 7a, 7b gezeigt ist, weist ein Strömungskanal 86 bei spielsweise einen quadratischen Querschnitt 88 auf und ist zu einer Seite 90 hin offen. In dem Strömungskanal 86 ist ein keilförmiger Verdrängungskörper 92 angeordnet bzw. er ist ein Teil des Strömungskanals 86.

Der Verdrängungskörper 92 weist eine schiefe Keilfläche 94 und eine weitere Keilfläche 96 auf. Die weitere Keilfläche 96 ist bevorzugterweise mit ihrer Normalen parallel zur Längs richtung des Strömungskanals 86 angeordnet und liegt damit quer zur Hauptströmungsrichtung des Fluids in dem Strömungs kanal 86.

Bei dem in Fig. 7a, 7b gezeigten Ausführungsbeispiel er streckt sich der Verdrängungskörper 92 über den ganzen Quer schnitt des Strömungskanals; d. h. eine Breite der weiteren Keilfläche 96 entspricht im wesentlichen dem Innenabstand von Wänden 98a, 98b des Strömungskanals 86.

Der Verdrängungskörper 92 nimmt dabei nur einen Teil 100 der Höhe des Strömungskanals 86 ein, beispielsweise die Hälfte der Höhe des Strömungskanals 86 (linkes Teilbild von Fig. 7a).

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7a ist die schiefe Keilfläche 94 der Hauptströmungsrichtung des Fluids zuge wandt, d. h. die schiefe Keilfläche 94 steht senkrecht auf einem Boden 102 des Strömungskanals 86.

Ein in dem Strömungskanal laminar strömendes Fluid, d. h. in Flüssigkeitsschichten mit Fluidschichtströmen unterschied licher Geschwindigkeit strömendes Fluid, trifft auf den Ver drängungskörper 92 und insbesondere auf dessen schiefe Keilfläche 94 und wird dadurch umgelenkt. Dies bewirkt, daß Fluidschichten sich von Kanalwänden und insbesondere von den Kanalwänden 98a und 98b "abschälen" und so eine Umschichtung von Fluidschichten erfolgt (vergleiche die Fig. 7a und 7b). Dadurch, daß der Verdrängungskörper 92 nur in einem Teilbereich des Strömungskanals 86 angeordnet ist und somit die laminare Strömung und insbesondere die Fluidschichtströme diesen umströmen müssen, erhalten zumindest Teile der Fluidschichtströme eine transversale Geschwindigkeits komponente in Richtung zur offenen Seite 90 hin zu, d. h. zu der Aufnahmeoberfläche bzw. Abgabeoberfläche zu.

Bei einer Variante einer Ausführungsform, welche in Fig. 7c gezeigt ist, sind in dem Strömungskanal 86 eine Mehrzahl von keilförmigen Verdrängungskörpern 104 angeordnet. Ein solcher Verdrängungskörper 104 ist dabei grundsätzlich gleich ausge bildet wie ein oben im Zusammenhang mit Fig. 7a beschrie bener Verdrängungskörper 92 und auch gleich angeordnet.

Die Anordnung der Mehrzahl von Verdrängungskörpers 104 ist insbesondere regelmäßig, d. h. die einzelnen Verdrängungs körper 104 sind gleich beabstandet voneinander. Vorzugsweise ist die Mehrzahl von Verdrängungskörpern 104 über die Länge des Strömungskanals 86 angeordnet, über der eine Aufnahme oberfläche bzw. Abgabeoberfläche wirksam sein soll.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 8a und 8b gezeigt ist, ist in einem Strömungskanal 106 mit einer offenen Seite 108, welcher grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie der Strömungskanal 86, ein Paar 110 keil förmiger Verdrängungskörper 112, 114 angeordnet. Der Ver drängungskörper 112 weist eine schiefe Keilfläche 116 und eine weitere Keilfläche 118 auf. Letztere ist mit ihrer Normalen bevorzugterweise parallel zu einer Längsrichtung des Strömungskanals 106 orientiert. Die weitere Keilfläche 118 nimmt dabei, wie beispielsweise in dem linken Teilbild von Fig. 8a gezeigt ist, einen Teilbereich sowohl bezüglich der Höhe als auch bezüglich der Breite des Strömungskanals 106 ein.

Der zweite Verdrängungskörper 114 des Verdrängungskörper paares 110 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie der erste Verdrängungskörper 112 mit einer schiefen Keilfläche 120 und einer weiteren Keilfläche 122, welche im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Strömungskanals 106 angeordnet ist. Auch diese weitere Keilfläche 122 nimmt einen Teil bereich des Strömungskanals 106 bezüglich dessen Höhe und dessen Breite ein.

Die beiden Verdrängungskörper 112 und 114 des Verdrängungs körperpaares 110 sind bezüglich der Breite des Strömungs kanals 106 an ihren weiteren Keilflächen 118, 122 gegenüber einander versetzt, so daß diese beiden weiteren Keilflächen 118 und 122 im wesentlichen in einer Ebene liegen.

Weiterhin sind die Verdrängungskörper 112, 114 des Ver drängungskörperpaares 110 so gegeneinander orientiert, daß die jeweiligen Normalen der schiefen Keilflächen 116 und 120 quer zueinander liegen.

Beispielsweise ist, wie in den Fig. 8a und 8b gezeigt, die schiefe Keilfläche 116 des Verdrängungskörpers 112 senkrecht zu einem Boden 124 des Strömungskanals 106 orientiert und die schiefe Keilfläche 120 des zweiten Verdrängungskörpers 114 steht im wesentlichen senkrecht auf Wänden 126 des Strömungs kanals 106.

Die Orientierung der schiefen Keilflächen 116 und 120 ist dabei insbesondere so, daß Fluidschichtströme, welche parallel zur Längsrichtung des Strömungskanals 106 strömen, auf die schiefe Keilfläche 116 des ersten Verdrängungskörpers 112 zu strömen; dies bedeutet, daß der Winkel zwischen der schiefen Keilfläche 116 und den Wänden 126 ein kleiner posi tiver spitzer Winkel ist. Weiterhin ist die schiefe Keil fläche 120 so orientiert, daß sie einen kleinen negativen spitzen Winkel bezüglich des Bodens 124 bildet. Dadurch kann die laminare Strömung auch beim Übergang zwischen den beiden Verdrängungskörpern 112, 114 an den weiteren Keilflächen 118, 122 kontinuierlich weiterströmen.

Durch die Anordnung eines Verdrängungskörperpaares 110 in dem Strömungskanal 106 wird erfindungsgemäße eine Umschichtung der Fluidschichtströmungen der laminaren Strömung bewirkt, indem Fluidschichtenströme eine transversale Geschwindigkeit quer zur Hauptströmungsrichtung der laminaren Strömung er halten. Insbesondere erfolgt eine Fluidumschichtung von geschlossenen Kanalwänden zu der offenen Seite 108 hin, d. h. insbesondere vom Hoden 124 zu der offenen Seite 108 hin; es erfolgt aber weiterhin auch insbesondere wegen der Anordnung der schiefen Keilfläche 116 eine Umschichtung auch zwischen benachbarten Kanalwänden 126.

In einer Variante, welche in Fig. 8c gezeigt ist, sind in dem Strömungskanal 106 eine Mehrzahl von Verdrängungskörper paaren 110 angeordnet und insbesondere regelmäßig angeordnet.

In Fig. 9 ist ein Diagramm gezeigt, welches auf den Ergeb nissen von numerischen Simulationen beruht. Zugrundegelegt ist eine quadratische Kanalgeometrie gemäß Fig. 8c mit einer Mehrzahl von regelmäßig beabstandet angeordneten Ver drängungskörperpaaren 110, welche jeweils so ausgebildet sind, wie in Fig. 8a gezeigt, wobei diese Verdrängungs körperpaare über die gesamte Länge des Strömungskanals 106 angeordnet sind. Auf der Abszisse ist der Ort P im Kanal in dessen Längsrichtung in mm angegeben (d. h. der Kanal weist eine Länge von 300 mm auf) und auf der Ordinate die Strom dichte I in mA/cm². Die Stromdichte ist dabei diejenige einer elektrochemischen Zelle, welcher über einen solchen Strö mungskanal 106 Luftsauerstoff als Oxidationsmittel in einer laminaren Luftströmung zugeführt wird.

Die Kurve 128 im Diagramm der Fig. 9 zeigt die Stromdichte ohne Verdrängungskörperpaare 110. Man sieht, daß die Strom dichte wie erwartet mit zunehmendem Abstand vom Kanalanfang hin abnimmt, da oberflächennahe Schichten zunehmend an Luft sauerstoff verarmen und der Stofftransport von Luftsauerstoff zwischen den laminaren Schichten im wesentlichen nur durch Diffusion stattfindet und dadurch die Sauerstoffabgabe über die Oberfläche des laminaren Luftstroms sich bei zunehmendem Abstand verschlechtert.

Die Kurve 130 zeigt den Einfluß der Strömungsleiteinrichtung mit den Verdrängungskörperpaaren 110. Die Stromdichte I zeigt ein oszillatorisches Verhalten gemäß der regelmäßigen Anord nung der Verdrängungskörperpaare 110 und liegt über der Kurve 128. An dem Ort der keilförmigen Verdrängungskörperpaare 110 treten lokale Spitzen 132 auf. Das Gesamtniveau der Strom dichte auf der Kurve 130 liegt dabei höher als auf der Kurve 128, wobei diese Erhöhung in der Größenordnung von 10% liegt, und zwar bei vernachlässigbaren Druckverlusten. Diese Erhöhung stellt eine Leistungsverbesserung der elektro chemischen Zelle dar.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 10a und 10b gezeigt. In einem Strömungskanal 134 ist ein Ver drängungskörperpaar 136 mit einem keilförmigen Verdrängungs körper 138 und einem keilförmigen Verdrängungskörper 140 angeordnet. Der Verdrängungskörper 138 weist wiederum eine schiefe Keilfläche 142 und eine weitere Keilfläche 144 auf, wobei letztere im wesentlichen senkrecht zu einer Längsrich tung des Strömungskanals orientiert ist. Die weitere Keil fläche nimmt im wesentlichen den gesamten Querschnitt des Strömungskanals 134 ein und einen Teilbereich bezogen auf dessen Höhe. Die schiefe Keilfläche 142 steht dabei senkrecht auf einem Boden 146 des Strömungskanals 134.

Eine schiefe Keilfläche 148 des Verdrängungskörpers 140 des Verdrängungskörperpaares 136 steht im wesentlichen senkrecht zu Wänden 150 des Strömungskanals 134. Eine weitere Keil fläche 152 des zweiten Verdrängungskörpers 140 ist im wesent lichen senkrecht zu einer Längsrichtung des Strömungskanals 134 angeordnet und nimmt im wesentlichen die gesamte Höhe des Strömungskanals 134 bezogen auf den Abstand zwischen dem Boden 146 und einer offenen Seite 154 ein, wobei, bezogen auf den Querschnitt, diese weitere Teilfläche nur einen Teil bereich des Strömungskanals einnimmt (vergleiche die linke Teilfigur in Fig. 10a).

Die schiefe Keilfläche 142 des ersten Verdrängungskörpers 138 des Verdrängungskörperpaares 136 weist dabei einen kleinen positiven spitzen Winkel gegenüber einer Kanalwand 150 auf und die schiefe Keilfläche 148 des zweiten Verdrängungs körpers 140 weist einen kleinen positiven Winkel gegenüber dem Boden 146 des Strömungskanals 134 auf.

Auch die in den Fig. 10a und 10b gezeigte Anordnung von Verdrängungskörpern 138, 140 in dem Strömungskanal 134 be wirkt eine Umschichtung von Fluidschichten in der laminaren Strömung eines Fluids, um so die Oberflächenaufnahme bzw. Oberflächenabgabe von Substanzen, wie beispielsweise Luft sauerstoff, in einem laminar strömenden Fluid, wie beispiels weise Luft, zu verbessern.

Bei der in Fig. 10c gezeigten Variante eines Ausführungs beispiels sind eine Mehrzahl von Verdrängungskörperpaaren 138 in dem Strömungskanal 134 angeordnet. Diese sind insbesondere regelmäßig und somit gleich beabstandet in dem Strömungskanal angeordnet.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 11a, 11b gezeigt ist, ist in einem Strömungskanal 156 mit beispielsweise quadratischem Querschnitt ein Einlege körper 158 beispielsweise in der Form eines Einlegeblechs angeordnet. Dieser Einlegekörper 158 ist hutzenförmig aus gebildet und weist eine Erhebung 160 auf, welche als Ver drängungskörper wirkt, d. h. das Fluid kann die Erhebung 160 nicht durchdringen.

Der Einlegekörper 158 weist ferner eine Öffnung 162 auf, welche der Erhebung 160 benachbart ist, so daß an der Er hebung 160 umgelenkte Fluidschichtströme durch die Öffnung 162 strömen können.

Der Einlegekörper 158 ist vorzugsweise über den ganzen Quer schnitt des Strömungskanals 156 angeordnet (vergleiche linkes Teilbild der Fig. 11a) und bezogen auf die Höhe des Strö mungskanals 156 zwischen einem Boden 164 und einer offenen Seite 166 derart angeordnet, daß die Erhebung 160 über einen Teilbereich der Höhe des Strömungskanals 156 angeordnet ist. Beispielsweise bildet die Erhebung 160 einen spitzen Winkel gegenüber dem Boden 164 und endet in der Nähe der halben Höhe bezogen auf den Abstand zwischen Boden 164 und der offenen Seite 166 des Strömungskanals 154.

Die Erhebung 160 ist beispielsweise ausgestanzt oder geprägt in einem Leitblech als Einlegekörper 158.

Die Fluidströmung im Bereich des Einlegekörpers 158 kann im Bereich des Einlegekörpers in diesen über ein offenes Ende 168 eintreten, wird dann über die Erhebung 160 umgelenkt und kann an der Öffnung 162 austreten. Es erfolgt damit eine Um schichtung von Fluidschichtströmen aus dem Bereich der Nähe zum Boden 164 in einen Bereich in der Nähe der offenen Seite 166, d. h. Fluidschichten werden aus oberflächenfernen Be reichen in oberflächennahe Bereiche umgelenkt.

Bei der in den Fig. 11c und 11d gezeigten Variante sind in dem Strömungskanal 156 Einlegekörper 158 vorgesehen, welche in einem regelmäßigen Abstand angeordnet sind. Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß die regelmäßigen Einlegekörper 158 durch einen einzigen Einlegekörper gebildet sind, welcher entsprechend in den Strömungskanal 156 eingelegt wird.

Insbesondere sind dann die Öffnungen 162 beabstandet und ins besondere in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeord net. Die Öffnungen 162 liegen dabei in dem Strömungskanal 156 insbesondere im wesentlichen auf einer Ebene.

Es kann aber auch eine alternative Variante vorgesehen sein, bei der die Höhe der einzelnen Öffnungen 162 gegenüber dem Boden 164 verschieden ist, d. h. bei der die Öffnungen 162 bezüglich der Höhe gegeneinander versetzt sind.

Insbesondere im Falle, daß die Mehrzahl von Einlegekörpern 158 durch einen einzigen Einlegekörper gebildet ist, wie in den Fig. 11c und 11d gezeigt, ist jeweils zwischen benach barten Öffnungen mindestens eine weitere Fluidaustausch öffnung 170 vorgesehen, welche einen Fluidaustausch zwischen dem Bereich 172 oberhalb der Einlegekörper 158 (bzw. des ein zigen Einlegekörpers) und dem Bereich 174 unterhalb der Ein legekörper 158 (bzw. des einzigen Einlegekörpers) erlaubt. Dadurch können Fluidschichtströme, die durch die Erhebungen 160 in den Bereich 172 umgelenkt werden, wieder durch die Fluidaustauschöffnungen 170 in den Bereich 174 strömen, um so wiederum in offene Enden 168 einströmen zu können und dann wieder über entsprechende Erhebungen in Bereiche 172 umge lenkt werden zu können.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 12a gezeigt ist, ist der Strömungskanal grundsätzlich gleich auf gebaut, wie anhand der Fig. 11a bis d beschrieben. Für den Strömungskanal wird daher das gleiche Bezugszeichen ver wendet. In den Strömungskanal 156 ist bei den in den Fig. 12a bis 12d gezeigten Ausführungsformen ein Einlegekörper in den Strömungskanal 156 eingelegt. Wie in Fig. 12a, 12b ge zeigt, umfaßt der dortige Einlegekörper 176 einen Ver drängungskörper 178, welcher beispielsweise die Form eines Quaders hat, dessen Diagonale im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Strömungskanals 156 ausgerichtet ist und welcher sich über den Boden 164 des Strömungskanals 156 bis zu einer Teilhöhe des Strömungskanals 156 erhebt. Der Quader 178 kann dabei durch ausgestanzte und umgelegte Blechteile gebildet sein und nach oben offen sein oder kann auch ge schlossen sein.

Der Einlegekörper 176 mit dem Verdrängungskörper 178 ist bei spielsweise aus einem Blechstreifen gestanzt bzw. ist ein entsprechend geprägtes Leitblech.

Der Verdrängungskörper 178 lenkt Fluidschichtströme um, um so eine Umschichtung von Fluidschichten der laminaren Strömung zu bewirken.

Bei der in Fig. 12c gezeigten Variante ist ebenfalls ein Einlegekörper 180 mit einem Verdrängungskörper 182 vorge sehen, welcher grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie der Verdrängungskörper 178. Jedoch ist eine Kante 184 des quader förmigen Verdrängungskörpers, welche der offenen Seite 166 hin zuweist, angefast, d. h. die Kante ist abgeschrägt. Dadurch wird die Umlenkung von Fluidschichtströmen weiter gefördert.

Bei einer Variante einer Ausführungsform, welche in Fig. 12d gezeigt ist, ist eine Mehrzahl von Einlegekörpern 186 in dem Strömungskanal 156 über die Länge dieses Strömungskanals 156 angeordnet. Insbesondere sind die Einlegekörper 186 regel mäßig angeordnet und insbesondere gleich beabstandet.

In der gezeigten Variante ist ein Einlegekörper 188 vorge sehen, welcher beispielsweise zwei beabstandete Verdrängungs körper 182 aufweist, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 12c beschrieben wurden. Die beiden Verdrängungskörper 182 sind dabei so ausgerichtet, daß ihre Diagonalen auf einer Linie liegen.

Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß in einem Einlege körper 190 ein Paar von Verdrängungskörpern 182 versetzt gegeneinander sind, d. h. daß ihre Diagonalen jeweils zueinander beabstandet sind.

Es können insbesondere unterschiedliche Kombinationen solcher Einlegekörper 188 und 190 in dem Strömungskanal 156 ange ordnet sein.

Die Verdrängungskörper 112, 114 oder 138, 140 oder 158 oder 178 können beispielsweise durch Tiefziehen oder Prägen von Blechen hergestellt werden oder beispielsweise durch Spritz gießen oder Pressen von polymergebundenen Graphitplatten.

Den erfindungsgemäßen Strömungseinrichtungen ist gemeinsam, daß Fluidschichten der laminaren Strömung umgeschichtet werden, d. h. es erfolgt eine Umschichtung bezogen auf eine Abgabeoberfläche bzw. Aufnahmeoberfläche für eine Substanz. Insbesondere wird Fluidschichtströmen eine transversale Geschwindigkeitskomponente quer zur einer Hauptströmungs richtung der laminaren Strömung erteilt, um so eine Rich tungsänderung solcher Fluidschichtströme zu bewirken.

Claims

1. Vorrichtung zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid, umfassend einen Strömungskanal (30), in dem eine laminare Strömung des Fluids ausbildbar ist, wobei min destens eine Strömungsleiteinrichtung (48) vorgesehen ist, welche derart in dem Strömungskanal (30) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, daß sie in der laminaren Strömung eine räumliche Umschichtung von Fluidschichten (24) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (48) so an geordnet und ausgebildet ist, daß durch diese Schichtströme (20) der laminaren Strömung eine trans versale Geschwindigkeitskomponente erhalten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die mindestens eine Strömungsleit einrichtung (48) so angeordnet und ausgebildet ist, daß eine Umschichtung von Fluidschichten (24) der laminaren Strömung derart erfolgt, daß Fluidschichtströme (20) aus der der Aufnahmeoberfläche bzw. Abgabeoberfläche des Fluids näherliegenden Bereichen der Strömung in weiter entfernt liegende Bereiche umgelenkt werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strö mungsleiteinrichtung (48) so angeordnet und ausgebildet ist, daß Fluidschichtströme (20) aus der der Aufnahme oberfläche bzw. Abgabeoberfläche des Fluids entfernter liegenden Bereichen der Strömung in dieser Oberfläche näher liegende Bereiche umgelenkt werden.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strö mungsleiteinrichtung (48) so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Strömung im Strömungskanal (30) im wesent lichen turbulenzfrei ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strö mungsleiteinrichtung so angeordnet und ausgebildet ist, daß sich Fluidschichtströme (20) unterschiedlicher Fluidschichten kreuzen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strö mungsleiteinrichtung (48) eine Struktur (50; 76; 92; 158; 176) umfaßt, deren Abmessungen quer zur Strömungs richtung (22) der laminaren Strömung variieren.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strö mungsleiteinrichtung (48) so angeordnet und ausgebildet ist, daß längs des Strömungskanals eine im wesentlichen regelmäßige Umschichtung von Fluidschichten (24) er folgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (48) eine Mehrzahl von strömungsleitenden Strukturen (66; 104; 110; 136; 158; 186) umfaßt, welche bezüglich der Längs richtung des Strömungskanals in regelmäßiger Abfolge angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Strö mungsleiteinrichtung eine Strömungswenderstruktur (50) umfaßt, welche dem Fluid in der laminaren Strömung einen Drall erteilt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswenderstruktur (50) eine Spiralstruktur (58) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Längsachse der Strömungswender struktur (50) parallel zur Längsrichtung des Strömungs kanals (30) ausgerichtet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswenderstruktur (50) in dem Strömungskanal (30) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswenderstruktur (60) mittels Kanalwänden gebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Kanalwände eine konkave Struktur (82) zur Bildung der Strömungswenderstruktur aufweisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Kanalwände eine konvexe Struktur (84) zur Bildung der Strömungswenderstruktur aufweisen.

17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleiteinrichtung einen oder mehrere Verdrängungskörper (92; 112, 114; 138, 140; 158; 178; 182) umfaßt, welche Barrieren für die Strömung im Strömungskanal sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdrängungskörper (92) keilförmig ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein keilförmiger Verdrängungskörper (92) so ange ordnet ist, daß seine schiefe Keilfläche (94) der Strömungsrichtung der laminaren Strömung zugewandt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleiteinrichtung mindestens ein Paar (110) keilförmiger Verdrängungskörper (112, 114) umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die schiefen Keilflächen (116, 120) eines Ver drängungskörperpaares (110) quer zueinander angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verdrängungskörper (114, 116) eines Verdrängungskörperpaares (110) quer zueinander ange ordnet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungskörper (112, 114) eines Verdrängungskörperpaares (110) in einer Quer richtung des Strömungskanals (106) versetzt zueinander angeordnet sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die schiefen Keilflächen (116, 120) eines Verdrängungskörperpaares (110) entgegengerichtete Komponentenvektoren bezüglich der Längsrichtung des Strömungskanals (106) aufweisen.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdrängungskörper so angeordnet und ausgebildet ist, daß Fluidschichtströme von ersten Wänden des Strömungskanals in Richtung zweiter Wände des Strömungskanals umlenkbar sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdrängungskörper so angeordnet und ausgebildet ist, daß Fluidschichtströme (20) von ge schlossenen Wänden des Strömungskanals in Richtung offener Kanalwände umlenkbar sind.

27. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche in einer elektrochemischen Zelle.

28. Verwendung nach Anspruch 27 in einem Elektrolyseur.

29. Verwendung nach Anspruch 27 oder 28 in einer Brennstoff zelle.

30. Verwendung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal zu einer Elek trode führt, um dieser Sauerstoff zuzuführen.

31. Verfahren zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid, wel ches in laminarer Strömung strömt, bei der durch eine Strömungsleiteinrichtung Fluidschichten der laminaren Strömung umgeschichtet werden.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß Fluidschichtströmen durch die Strömungsleiteinrichtung eine transversale Geschwindigkeit erteilt wird.

33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekenn zeichnet, daß Fluidschichtströme aus dem Bereich der Aufnahmeoberfläche bzw. Abgabeoberfläche in weiter entfernt liegende Bereiche umgelenkt werden.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß Fluidschichtströme aus weiter ent fernt liegenden Bereichen in Richtung der Aufnahmeober fläche bzw. Abgabeoberfläche umgelenkt werden.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluid ein Drall erteilt wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidschichtströme im wesent lichen turbulenzfrei umgelenkt werden.