DE102005055043A1

DE102005055043A1 - Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion

Info

Publication number: DE102005055043A1
Application number: DE102005055043A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr.-Ing. Kaiser; Conrad Dr.-Ing. Pfender
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion, insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie, mit zumindest einem ersten Strömungskanal für ein erstes Reaktionsmedium, zumindest einem zweiten Strömungskanal für ein sich von dem ersten Reaktionsmedium unterscheidendes zweites Reaktionsmedium, zumindest einem dritten Strömungskanal für ein erstes Temperiermedium und zumindest einem vierten Strömungskanal für ein sich von dem ersten Temperiermedium unterscheidendes zweites Temperiermedium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion mit Strömungskanälen für Temperier- beziehungsweise Reaktionsmedien. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Scheibenpaket zur Bildung einer solchen Vorrichtung.

Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels derartiger Vorrichtungen stellt unter Umständen eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom aus den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff dar. Dabei finden üblicherweise zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt bzw. gebunden werden. Ein Beispiel für zwei korrespondierende Elektrodenreaktionen in einer gattungsgemäßen Vorrichtung sind folgende Reaktionen: H₂ => 2H⁺ + 2e^– (Anodische Reaktion) 2H⁺ + 2e^– + ½O₂ => H₂O (Kathodische Reaktion)

Bei anderer Bauart können beispielsweise auch folgende Reaktionen beobachtet werden: H₂ + O^2– => H₂O + 2e^– (Anodische Reaktion I) CO + O^2– => CO₂ + 2e^– (Anodische Reaktion II) O₂ + 4e^– => 2O^2– (Kathodische Reaktion)

Andere gattungsgemäße Vorrichtungen weisen zum Teil andere Reaktionen auf. Gemeinsam ist jeweils der Transport einer Spezies in elektrisch nicht-neutraler Form durch einen Elektrolyten und den parallel hierzu verlaufenden Transport von Elektronen durch einen äußeren Leiter, um die Spezies nach dem Transportvorgang in einen elektrisch neutralen Zustand zurückzuversetzen.

Durch elektrische Verbindung der räumlich getrennten Reaktionszonen kann ein Teil der dabei umgesetzten Reaktionsenthalpie direkt als elektrischer Strom gewonnen werden. Üblicherweise werden mehrere elektrisch in Serie geschaltete Reaktionseinheiten aufeinandergestapelt und ein solchermaßen gebildeter Stapel als Stromquelle verwendet. Eine einzelne Reaktionseinheit besteht dabei aus einer Elektrolyteinheit, wie Membran, welche die Reaktanden, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise Wasserstoff/Kohlenmonoxid und Sauerstoff, voneinander trennt und eine Ionenleitfähigkeit, insbesondere eine H⁺-Protonenleitfähigkeit oder eine O^2–-Leitfähigkeit, aufweist, sowie aus zwei mit Katalysatormaterial belegten Elektroden, die unter anderem zum Abgriff des von der Reaktionseinheit erzeugten elektrischen Stroms erforderlich sind.

Die Reaktanden, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, und das Reaktionsprodukt Wasser sowie gegebenenfalls ein Medium, das zur Abführung von überschüssiger Reaktionswärme dient, strömen durch Fluidkanäle, wobei die Reaktanden nicht notwendigerweise in reiner Form vorliegen müssen. Beispielsweise kann das Fluid auf der Kathodenseite Luft sein, deren Sauerstoff an der Reaktion teilnimmt. Insbesondere bei Verwendung eines wärmeabführenden Mediums wird durch eine thermische Verbindung der jeweiligen Fluidkanäle für einen ausreichenden Wärmeübertrag zwischen den jeweiligen Fluiden gesorgt.

Reaktanden und Reaktionsprodukte werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Reaktionsmedien bezeichnet. Als Temperiermedium wird ein Medium bezeichnet, das geeignet ist, einer Vorrichtung beziehungsweise einer Reaktionszone Wärme zu- oder abzuführen.

Die in einer gattungsgemäßen Vorrichtung entstehende Abwärme wird gewöhnlich über ein Kühlmedium und einen separaten Kühlkreislauf abgeführt und muss gegen die Umgebung abgegeben werden. Da die Temperaturdifferenz zwischen Vorrichtung und Umgebung üblicherweise geringer ist als bei einem Verbrennungsmotor vergleichbarer Leistung, ist der Kühlungsaufwand bzw. die Kühlergröße trotz höheren Wirkungsgrades oft größer.

Grundsätzlich kann zwischen gasgekühlten und flüssigkeitsgekühlten Vorrichtungen zur Durchführung einer chemischen Reaktion unterschieden werden. Bei luftgekühlten Vorrichtungen wird der Wärmehaushalt durch Integration von geeigneten Kühlkanälen in einzelne Platten eines Plattenstapels und Durchströmung dieser Kanäle mit einem Luftstrom kontrolliert und die überschüssige Abwärme mit diesem Luftstrom abgeführt wird. Flüssigkeitsgekühlte Vorrichtungen werden hingegen von einem flüssigen Kühlmedium von zumeist hoher Wärmekapazität durchflossen, das die bei der chemischen Reaktion entstehende Abwärme aufnimmt und in einem externen, räumlich von der Vorrichtung getrennten Kühler, der seinerseits meist luftgekühlt ist, an die Umgebung abgibt.

Aufgrund der relativ geringen Wärmekapazität von Kühlluft und den damit verbundenen relativ großen Volumenströmen ergibt sich bei der luftgekühlten Anordnung die Forderung nach relativ großen, geraden Luftkühlkanälen, um den Druckverlust und damit den energetischen Aufwand für den Kühlluftstrom in Grenzen zu halten. Da die zu kühlenden Reaktionsmedien häufig ebenfalls gasförmig sind und eine spezifische Wärmekapazität ähnlich wie die Kühlluft besitzen, weisen luftgekühlte Vorrichtungen meist einen starken Temperaturgradienten entlang des Kühlluftkanals auf. Hier wird insbesondere der Bereich der aktiven Reaktionszone, der dem Kühllufteintritt am nächsten liegt, besonders stark abgekühlt, während in Bereichen, die nahe dem Kühlluftausgang liegen, kaum noch Wärmeübertragung stattfindet. Es hat sich gezeigt, dass sich das hieraus resultierende inhomogene Temperaturprofil unter Umständen nachteilig für einen effizienten Betrieb der Vorrichtung auswirkt.

Die flüssigkeitsgekühlte Anordnung ist insbesondere bei der Verwendung von Polymermaterialien für die Elektrolytmembran aufgrund deren Anfälligkeit gegen Kontamination mit Metallionen unter Umständen problematisch. Will man beispielsweise eine flüssigkeitsgekühlte Vorrichtung in Verbindung mit einem bekannten Aluminium-Wärmeübertrager betreiben, ist zur Vermeidung der Kontamination der Polymermembranen die Verwendung eines flüssigen Kühlmediums, das keine Metallionen transportieren kann, beispielsweise ein Wärmeübertrageröl, oder alternativ die Verwendung einer Ionenaustauscherpatrone zur Reinigung des flüssigen Kühlmediums erforderlich. Dadurch ergeben sich Nachteile in Form von geringerer spezifischer Wärmeübertragungsleistung (Wärmeübertrageröl) beziehungsweise in Form von zusätzlichem Systemaufwand (Ionenaustauscherpatrone).

Zur Erzeugung des in der Vorrichtung benötigten, wasserstoffhaltigen Betriebsgases, insbesondere bei der Gaserzeugung an Bord von Kraftfahrzeugen, wird auf flüssige Kraftstoffe (beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol, etc.) oder gasförmige Kraftstoffe (beispielsweise Erdgas) als Ausgangsbasis zurückgegriffen. Für die Herstellung wasserstoffreichen Gases aus diesen Kraftstoffen sind verschiedene Verfahren bekannt, die im Wesentlichen auf einem oder der Kombination mehrerer der folgenden chemischen Prozesse beruhen:

a) Zerlegung des Kraftstoffes, beispielsweise durch sogenanntes thermisches Cracken, in seine Ausgangsstoffe, gegebenenfalls über einem Katalysator. Ein Beispiel ist die Reaktion von Oktan: C₈H₁₈ → 8C + 9H₂.
b) Partielle Oxidation des Kraftstoffes über einem Katalysator unter Zugabe von (Luft-)Sauerstoff im stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Anteil. Beispiele sind die Reaktionen von Oktan: C₈H₁₈ + 8O₂ → 8CO₂ + 9H₂ (stöchiometrisch) beziehungsweise C₈H₁₈ + 4O₂ → 8CO + 9H₂ (unterstöchiometrisch).
c) Dampfreformierung des Kraftstoffes über einem Katalysator unter Zugabe von Wasser. Ein Beispiel ist die Reaktion von Oktan: C₈H₁₈ + 16H₂O → 8CO₂ + 25H₂.
d) Autotherme Reformierung des Kraftstoffes durch Kombination von partieller Oxidation und Dampfreformierung dahingehend, dass die Energiebilanz der Gesamtreaktion durch Kombination der endothermen Dampfreformierung und der exothermen partiellen Oxidation gerade ausgeglichen wird.

In der Regel läuft ein solcher Prozess in einem sogenannten Reformer ab, wobei in der Praxis kein Vollumsatz erzielt wird und ein mehr oder weniger hoher Anteil an Kohlenmonoxid im erzeugten Gas verbleibt. Darauffolgend kann durch Einsatz von sogenannten Shiftstufen unter Verwendung der Wassergas-Shiftreaktion (CO + H₂O → CO₂ + H₂) zusätzlicher Wasserstoff zu Lasten der CO-Konzentration unter Verwendung eines geeigneten Katalysators gewonnen werden.

Zur weitergehenden Reinigung des Gases von CO kann bei Bedarf eine selektive Oxidation über einem hierfür geeigneten Katalysator durchgeführt werden. Hierbei wird das verbleibende Kohlenmonoxid durch Zugabe von (Luft-) Sauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert: 2CO + O₂ → CO₂.

Zur darüberhinausgehenden Reinigung des Gases von Schwefel bzw. Schwefelverbindungen kann eine passive Adsorption (z.B. an Zeolithen) oder eine katalytische Transformation der im Kraftstoff bzw. Reformat vorhandenen Schwefelverbindungen an einem geeigneten Katalysator bzw. Adsorbens durchgeführt werden. Die Entschwefelung ist grundsätzlich vor der Reformierung (am flüssigen oder verdampften Kraftstoff) oder auch nach der Reformierung (am Reformat) möglich. In letzterem Fall werden die im Reformat verbliebenen Schwefelverbindungen beispielsweise mittels des Vorgangs der HDS (hydro-desulfurization) mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht; das resultierende H2S wird dann an einem geeigneten Material (beispielsweise Cu-Zn-Pellets) adsorbiert und damit dem Brenngas entzogen.

Üblicherweise finden viele oder alle dieser Prozesse in jeweils hierfür spezifisch ausgebildeten Vorrichtungen statt. Einen schematischen Überblick über die Architektur eines Brennstoffzellensystems gibt 8.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion bereitzustellen, die bei relativ geringem Aufwand eine hohe Effizienz besitzt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion, die jeweils zumindest einen, vorzugsweise mehrere erste Strömungskanäle für ein erstes Reaktionsmedium, zweite Strömungskanäle für ein zweites Reaktionsmedium, dritte Strömungskanäle für ein ers tes Temperiermedium und vierte Strömungskanäle für ein zweites Temperiermedium aufweist.

Erfindungsgemäß sind also zumindest vier Medien getrennt voneinander führbar. Die Reaktionsmedien dienen der Versorgung einer chemischen Reaktionszone mit den für die chemische Reaktion erforderlichen Medien, wie beispielsweise Wasserstoff und Luftsauerstoff, beziehungsweise einer Abführung eines oder mehrerer Reaktionsprodukte. Mit Hilfe des ersten Temperiermediums ist die in der Vorrichtung entstehende Abwärme beispielsweise direkt an die Umgebung abführbar beziehungsweise ist die benötigte Wärme der Vorrichtung direkt zuführbar, insbesondere mit Hilfe einer Fluidfördereinrichtung, wie beispielsweise einer Pumpe, einem Gebläse oder dergleichen. Zu diesem Zweck wird als erstes Temperiermedium vorzugsweise Umgebungsluft verwendet, die in einer geeignet großen Menge durch die Vorrichtung geführt wird. Das zweite Temperiermedium, beispielsweise Kühlwasser, strömt in einem vorzugsweise geschlossenen Kreislauf, vorzugsweise mittels einer geeigneten Fluidfördereinrichtung.

Unter Umständen ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein geringerer baulicher Aufwand erreichbar, wenn Zusatzkomponenten wie Temperiermittelleitungen, -pumpen oder Wärmeübertrager verzichtbar werden, da die Vorrichtung selbst als Wärmeübertrager fungiert. Insbesondere durch das Vorsehen von Strömungskanälen für unterschiedliche Temperiermedien wird eine homogenere Temperaturverteilung und gegebenenfalls eine gleichmäßigere Temperaturabgabe beziehungsweise -zugabe und dadurch unter Umständen eine erhöhte Effizienz der Vorrichtung ermöglicht. Vorteilhaft wirkt sich die Verwendung zweier Temperiermedien aus, die sich in ihrer Wärmekapazität und/oder ihrem Aggregatzustand voneinander unterscheiden und/oder wenn die Strömungskanäle für die Temperiermedien unterschiedliche Formen und/oder Querschnittsflächen aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vorzugsweise diffusionsdurchlässige Membran zwischen einem ersten und einem zweiten Strömungskanal auf, so dass die Reaktionsmedien voneinander getrennt sind, wobei die chemische Reaktion über beispielsweise ionische Diffusion eines oder mehrerer Reaktanden durch die Membran hindurch ermöglicht wird.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kommunizieren die Strömungskanäle für die Reaktionsmedien miteinander, so dass die Reaktanden unmittelbar miteinander in Berührung kommen und sich unter Umständen miteinander vermischen können. Hierdurch wird die chemische Reaktion unter Umständen beschleunigt, so dass die Effizienz der Vorrichtung steigt.

Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen fünften Strömungskanal für ein drittes Temperiermedium auf, das sich von dem ersten und dem zweiten Temperiermedium unterscheidet. Hierdurch wird eine Beaufschlagung der Vorrichtung mit drei unterschiedlichen Temperiermedien unterschiedlicher Funktion ermöglicht. Beispielsweise kann ein Temperiermedium einer Wärmeabfuhr, einer Wärmezufuhr, einer Verdampfung und/oder einer insbesondere katalytisch unterstützten Umsetzung des Temperiermediums selbst dienen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kommuniziert zumindest ein Strömungskanal für ein Reaktionsmedium mit einem Strömungskanal für ein Temperiermedium. Hierdurch ist der betreffende Strömungskanal für das Temperiermedium als Zuführkanal für frisches und gegebenenfalls vortemperiertes Reaktionsmedium verwendbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein dritter oder vierter Strömungskanal einen Katalysator auf und ist besonders bevorzugt katalytisch beschichtet. Das erste beziehungsweise zweite Temperiermedium nimmt dann durch eine endotherme Reaktion Wärme auf oder gibt durch eine exotherme Reaktion Wärme ab, so daß einerseits die Wärmeabfuhr beziehungsweise -zufuhr unterstützt wird und andererseits die Vorrichtung gegebenenfalls eine weitere Funktion, nämlich die Durchführung der katalysierten Reaktion, insbesondere eine Reformierung, erfüllt.

Bevorzugt ist der Katalysator auf einer Oberfläche angeordnet, die von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelt ist. Somit kann die katalysierte Reaktion auch auf einem anderen Temperaturniveau ablaufen als dem der anderen Strömungskanäle. Besonders bevorzugt ist der Katalysator auf einem von den anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelten Scheibenelement angeordnet. Die thermische Entkopplung ist dabei insbesondere durch Vorsprünge an der Kanalwand und/oder dem Scheibenelement bewerkstelligt, wobei dann durch ein nur punktuelles und/oder linienförmiges Berühren ein Wärmefluß von der Kanalwand zu dem Scheibenelement oder umgekehrt gehemmt wird.

Zusätzlich oder alternativ weist die jeweilige Kanalwand und/oder das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere als Oberflächenbeschichtung ausgebildeten thermischen Isolator auf. Eine thermische Isolation ist unter Umständen auch bei Strömungskanälen ohne Katalysator vorteilhaft.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere katalytisch beschichteten Wabenkörper, insbesondere eine Wabenkeramik, die aufgrund ihres Ausgangsmaterials im Hinblick auf eine thermische Abkoppelung besonders geeignet ist und entweder mit oder ohne Einsatz einer punktuellen Anlage verwendbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement ein ausgedehntes Metallgestrick oder ein ausgedehntes Metallfilz, das in besonders bevorzugter Ausführung mit einer oder zwei Kanalwänden des Flowfields elektrisch leitend verbunden ist, beispielsweise durch Lötung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung kommuniziert zumindest ein dritter und/oder vierter Strömungskanal mit einem ersten und/oder zweiten Strömungskanal. Dadurch dient zumindest ein Reaktionsmedium auch als Temperiermedium, nämlich vor oder nach der chemischen Reaktion. Dies dient beispielsweise einer Vorwärmung eines Reaktanden, gegebenenfalls unter Rückgewinnung von Reaktionsabwärme. Besonders bevorzugt ist dazu der dritte beziehungsweise vierte Strömungskanal mit einem Katalysator versehen, so dass zumindest ein Reaktand in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit relativ geringem energetischem Aufwand darstellbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie aus Ausführungsbeispielen, anhand derer die Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
1 Ein Scheibenpaket zur Bildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Explosionsdarstellung,
2 eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion in Explosionsdarstellung,
3 eine Temperaturverteilung über Vorrichtungen zur Durchführung einer chemischen Reaktion,
4 eine Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion,
5 ein Scheibenpaket mit zwei Scheibenpaaren,
6 einen ausschnittsweisen Querschnitt dreier Scheiben,
7 einen ausschnittsweisen Querschnitt dreier Scheiben,
8 ein Schema eines Brennstoffzellensystems,
9 einen Querschnitt eines Scheibenpakets,
10 einen Querschnitt eines Scheibenpakets,
11 einen Querschnitt eines Scheibenpakets und
12 ein Scheibenpaket.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst mehrere Scheiben (1, 2, 5, 6), von denen jeweils zwei ein Paar bilden (1, 2) bzw. (5, 6). Die Scheibenpaare sind vorteilhafterweise als kommunizierende Halbschalen gemäß DE 102 24 397 A1 ausgebildet. Zwischen zweien solcher Paare (1, 2) (5, 6) ist ein dritter Strömungskanal mit einer als Luftkühlflowfield (3, 4) ausgebildeten Turbulenzeinlage angeordnet, der beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Gebläse mit Kühlluft als erstem Temperiermedium versorgt werden kann. Ein Scheibenpaket wird somit dargestellt aus den zusammengefügten Teilen 1 bis 6, die beispielsweise durch Schweißen, Löten oder mechanisches Umformen fluiddicht miteinander verbunden werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung werden die Komponenten 1, 2, 5 und 6 aus Edelstahl gefertigt und miteinander verschweißt oder verlötet. Das Kühlflowfield (3, 4), das auch aus einem einzelnen Bauteil bestehen kann, wird beispielsweise aus Aluminium gefertigt und nach dem Fügevorgang der Komponenten 1, 2, 5, 6 mechanisch platziert. Das aus allen Komponenten gebildete Scheibenpaket weist dann also voneinander unabhängige Strömungskanäle beispielweise für Kühlluft, Kühlflüssigkeit, Anodenversorgungsgas und Kathodenversorgungsgas auf.
2 zeigt ebenfalls in Explosionsdarstellung eine Anordnung mehrer Scheibenpakete (7) als Scheibenstapel zur Bildung einer Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Die Scheibenpakete (7) werden dabei abwechselnd mit Membranen (8), die beidseitig mit Elektroden versehen sind, aufeinandergestapelt.
Die in dieser Darstellung gefügten Scheibenpakete weisen eine umlaufende Abdichtung (9) auf, die für eine Durchströmung mit dem ersten Temperiermedium Kühlluft zur Bildung von Ein- und/oder Austrittsöffnungen Unterbrechungen (10) aufweist. Das erste Temperiermedium wird also außerhalb der Scheibenelemente auf die durch Zwischenräume zwischen zwei Scheibenelemente gebildeten dritten Strömungskanäle verteilt beziehungsweise aus diesen gesammelt. Zu diesem Zweck schließen an den Scheibenstapel seitlich ein nicht dargestellter Verteil- und ein Sammelkanal an, die mit den dritten Strömungskanälen kommunizieren. Zusätzlich ist es möglich, mit Hilfe von geeigneten Umlenkkanälen eine serpentinenartige Durchströmung der dritten Strömungskanäle vorzusehen, wobei jeder der zwei oder mehr Serpentinenabschnitte wiederum mehrere parallel geschaltete Strömungskanäle, insbesondere aus verschiedenen Scheibenzwischenräumen, umfassen kann. Die Reaktionsmedien und das zweite Temperiermedium werden über Verteil- und Sammelkanäle innerhalb des Scheibenstapels zu- beziehungsweise abgeführt, wozu die einzelnen Scheiben beispielsweise rechteckförmige Durchbrüche aufweisen.
3 zeigt den qualitativen Verlauf der Temperatur T eines Reaktionsmediums entlang der Länge I eines Kühlluftkanals einer bekannten (11) und einer erfindungsgemäßen (12) Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Es zeigt sich deutlich, dass durch einen zusätzlichen Flüssigkühlkreislauf eine homogenere Temperaturverteilung entlang der Kühlluftkanäle erzielbar ist. Durch die Anordnung von vierten Strömungskanälen für ein flüssiges Kühlmedium jeweils zwischen den Strömungskanälen für die Reaktionsmedien und die Kühlluft wird das Temperaturprofil entlang der Kühlluftkanäle besonders vergleichmäßigt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit interner (Dampf-)Reformierung eingesetzt. Dies geschieht dadurch, dass anstelle von Kühlluft einer der Reaktanden durch die dritten Strömungskanäle und anschließend durch die ersten oder zweiten Strömungskanäle strömt, indem die ersten beziehungsweise zweiten Strömungskanäle mit den dritten Strömungskanälen kommunizieren, beispielsweise über eine Verbindungsleitung oder aber innerhalb des Scheibenstapels.
In einer spezielleren Ausführungsform wird ein Bereich für die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs erzeugt, der dem eigentlichen Reformierungsbereich funktional vorgeschaltet ist, aber zur Erzielung einer Verdampfung ohne chemische Reformierungsreaktion nicht über eine katalytische Beschichtung verfügt. Bei diesem Anwendungsfall werden die Segmente (3, 4) oder ein entsprechendes Bauteil zumindest teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Für den Fall, dass eine Verdampfung von flüssigen Kraftstoffkomponenten vorgesehen ist, wird im Verdampfungsbereich, der am Reformateintrittsbereich beginnt und über eine geeignete Ausdehnung entlang eines Kanals verfügt, keine katalytische Beschichtung angebracht.
Der Anteil an elektrisch nicht nutzbarer Abwärme an der chemisch freigesetzten Energie ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der Differenz von reversibler Wärmetönung [1,48V] und der elektrischen Zellspannung im jeweiligen Betriebspunkt zur reversiblen Wärmetönung. Wird der Reformierungsprozess so gefahren, dass die für die Verdampfung und/oder Reformierung erforderliche Wärmemenge der Abwärme entspricht, kann ein solches System sogar autotherm und völlig ohne externen Kühler betrieben werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird als Kühlmedium zur Einstellung eines isothermen Zustandes ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch verwendet, das im Bereich des Kühlflowfields zwischen den Platten (1–2) bzw. (5–6) aufgewärmt wird und im Folgenden im Bereich des Reformierungsflowfields (Teile 3–4) dampfreformiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird das Kraftstoff-Wasser-Gemisch unter Druck geführt, so dass es im Bereich des Kühlflowfields in flüssiger Form vorliegt und vor dem Eintritt ins Reformierungsflowfield druckentspannt, so dass hier eine schlagartige Verdampfung eintritt als Vorbereitung für die Reformierungsreaktion.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird der Betriebspunkt beziehungsweise die Abwärme des Stapels so eingestellt, dass der Vorgang des Aufheizens des Kraftstoff-Wasser-Gemischs in Verbindung mit der Dampfreformierung durch die bei der chemischen Reaktion entstehende Abwärme energetisch zumindest teilweise gedeckt wird, so dass ein autothermer Betrieb gefördert wird. Grundsätzlich ist diese Anordnung für jede endotherme oder leicht exotherme Reaktionskombination geeignet.
Im Rahmen einer katalytisch gekühlten Vorrichtung mit interner Reformierung (beispielsweise Methanolreformierung) kann die Reformierung durch die erfindungsgemäße quasi-isotherme Temperaturverteilung im ganzen katalytisch beschichteten Bereich unter Umständen effizienter ablaufen.
4 zeigt einen Brennstoffzellensystemcluster 13 mit Bipolarplatten 15, der beispielsweise gemäß 2 aufgebaut ist. Dritte Strömungskanäle 14 in einer Kühlzone 23 dienen einer Durchströmung mit Kühlluft. Durch den Einsatz eines insbesondere geschlossenen Flüssig-Kühlkreislaufs durch äußerlich nicht sichtbare vierte Strömungskanäle kann der Kühleffekt der Kühlluft auf benachbarte Bipolarplatten übertragen werden, so dass nicht jeder dritte Strömungskanal für die Kühlfunktion genutzt werden muß. Die somit gewissermaßen freiwerdenden dritten Strömungskanäle sind für verschiedene andere Aufgaben im Brennstoffzellensystem verwendbar.
In einer Verdampfungszone 16 wird Wasser oder ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch 18 in dritten Kanälen 17 verdampft, so dass unter Umständen auf einen Verdampfer als Vorstufe für den Reformer als eigenständiges Bauteil verzichtet werden kann.
In einer Reformierungszone 19 geschieht eine partielle Oxidation, eine autotherme Reformierung oder eine Dampfreformierung, wobei die dortigen dritten Strömungskanäle 20 gegebenenfalls eine geeignete katalytische Beschichtung der Kanalwände mit einem für die jeweilige Aufgabe geeigneten Katalysator aufweisen. Unter Umständen kann somit auf einen Reformer als eigenständiges Bauteil verzichtet werden.
In einer Niedertemperatur-Shift-Zone 21 sind dritte Strömungskanäle 22 für eine Wassergas-Shiftreaktion vorgesehen, die gegebenenfalls auch mittels eines Katalysators unterstützt wird. Unter Umständen kann somit auf einen NT-Shift-Reaktor als eigenständiges Bauteil verzichtet werden.
Die dritten Strömungskanäle der unterschiedlichen Zonen sind über geeignete, nicht näher dargestellte Verbindungskanäle miteinander verbunden, so dass das jeweilige Fluid, wie durch die Pfeile 24, 25 angedeutet, von einer Zone in die jeweils nächste Zone übertritt. In ähnlicher Weise wird das aufbereitete Anodengas, wie durch die Pfeile 26 angedeutet, einem Anodengasverteilerkanal 27 zugeführt. Parallel dazu wird Kathodengas 28 einem Kathodengasverteilerkanal 29 zugeführt.
Gemäß nicht gezeigter Ausführungsformen werden in bestimmten Zonen dritte Strömungskanäle für eine selektive Oxidation oder eine Anodenabgasverbrennung eingesetzt. Die dafür bislang vorgesehenen, eigenständigen Bauteile können dann grundsätzlich entfallen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Beaufschlagen dritter Strömungskanäle mit Reaktionsluft für einen ATR („autotherme Reformierung")-Reformer die benötigte Luft vorgewärmt, so dass die ATR-Reaktion unter Umständen gleichmäßiger abläuft und eine entsprechende Vorwärmstufe als eigenständiges Bauteil wegfällt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Beaufschlagen dritter Strömungskanäle mit Reaktionsluft für den kathodenseitigen Brennstoffzellenprozess das Kathodengas vorgewärmt, so dass am Kathodengaseintritt des Brennstoffzellenstapels auftretende negative Temperatureffekte (wie beispielsweise Elektrolytalterung, Kondensation, etc.) reduziert oder verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch Integration eines geeigneten Transformationskatalysators (aktive Entschwefelung) oder eines geeigneten Adsorbens (passive Entschwefelung) in die dritten Strömungskanäle, beispielsweise durch Beschichtung der Wände und/oder durch Einfüllen von chemisch aktivem Schüttgut, wie beispielsweise Pellets, Tabletten etc., und Sicherung gegen Austrag aus dem Strömungskanalbereich, beispielsweise mittels Gitter an beiden Enden der Strömungskanäle, eine Entschwefelung des verwendeten Brennstoffes ermöglicht. Diese Entschwefelung kann grundsätzlich am flüssigen oder dampfförmigen Kraftstoff vor der Reformierung erfolgen oder auch am Reformat nach der Reformierung durchgeführt werden. Durch das hierdurch erzielte Absenken des Schwefelgehalts im Reformat wird im Folgenden die Deaktivierung katalytisch aktiver Komponenten (z.B. Shiftstufen) verringert oder vermieden und die Lebensdauer und Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird das Schüttgut nach Erreichen einer definierten Mindestaktivitätsschwelle gegen unverbrauchte Ware ausgetauscht. Zur Vereinfachung dieses Austauschs kann das Schüttgut in Form einer geeignet geformten Austauschpatrone in die vierflutige Bipolarplatte eingesetzt und gegebenenfalls einfach ausgewechselt werden.
Voraussetzung für die meisten der oben genannten Aufgaben ist ein relativ hohes Temperaturniveau, das zweckmäßigerweise durch Betrieb des Brennstoffzellensystemclusters in Verbindung mit Membran-Elektroden-Einheiten unter Verwendung von Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membranen und der Ausnutzung der entsprechenden Nenn-Betriebstemperaturen (100...200°C) bereitgestellt werden kann.
Hier ist zu unterscheiden zwischen Prozessen, die bei Zelltemperatur ablaufen (zum Beispiel Verdampfung, Niedertemperatur(NT)-Shiftreaktion, Kühlung) und Prozessen, die zwar bei Zelltemperatur starten können, gewöhnlich aber adiabater Natur sind und bei höheren Temperaturen als Zelltemperatur ablaufen (zum Beispiel autotherme Reformierung, partielle Oxidation, Niedertemperatur-Shiftreaktion, selektive Oxidation, Anodenabgasverbrennung).
Um Prozesse der letztgenannten Art beispielsweise in einem Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemcluster ablaufen lassen zu können, ist die Ausbildung unterschiedlicher Temperaturniveaus innerhalb des Brennstoffzellensystemclusters zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist der für die jeweilige Reaktion geeignete Katalysator bevorzugt auf einer Oberfläche angeordnet, die von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelt ist.
Gemäß 5 und 6 ist ein Katalysator auf einem von den anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelten Scheibenelement 31 angeordnet. Die thermische Entkopplung ist dabei insbesondere durch Vorsprünge 32 an der Kanalwand des dritten Strömungskanals 33 bewerkstelligt, indem ein Wärmefluß von dem Scheibenelement 31 zur Kanalwand dadurch gehemmt wird, dass das Scheibenelement 31 die Kanalwand nur punktuell, nämlich an den Spitzen der Vorsprünge, berührt, insbesondere mit der Kanalwand verlötet ist. Durch Verwendung des Scheibenelements 31 werden adiabate Reaktionen von der Wandtemperatur des Multifunktionsflowfields entkoppelt, so dass hier Reaktionen mit höherer Temperatur ablaufen können.
Alternativ oder, wie in 7 dargestellt, zusätzlich zu einer nur punktuellen Berührung und je nach Höhe der gewünschten Temperatur ist die Reaktion durch Einsatz von Wärmedämmschichten 34 an den Kanalwänden der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Strömungskanäle von der Zelltemperatur abschirmbar. Geeignet für diesen Verwendungszweck sind keramische Wärmedämmschichten, wie zum Beispiel Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminium-Titanoxid (Al₂O₃/TiO₂), Zirkonkorung (Al₂O₃/ZrO₂), Mullit (Al₂O₃/SiO₂), Spinelle (Al₂O₃·MgO), Zirkonoxid (Mg-ZrO₂), Zirkonsilikat (ZrSiO₄), etc.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystemclusters werden die vierten Strömungskanäle für das flüssige Kühlmittel durch einen Aufbau analog zur Ausgestaltung eines Wärmerohres ersetzt.
Hierdurch kann auf den Einsatz einer Pumpe zur Umwälzung des Flüssigkühlmediums verzichtet werden, wodurch sich gegebenenfalls ein weiterer Bauraumgewinn und unter Umständen eine Verbesserung des Systemwirkungsgrades ergibt.
Die Erfindung ermöglicht es unter Umständen, ein vereinfachtes System zu schaffen, mit dem die beim Stand der Technik erforderliche Vielzahl von Komponenten verzichtbar wird und gegebenenfalls eine Kosten- und/oder Bauraumreduzierung möglich ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform fasst die erfindungsgemäße Vorrichtung alle wesentlichen Komponenten aus 8 in einer einzigen Baugruppe – einem Brennstoffzellensystemclusterzusammen. Hierdurch wird der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems reduziert und unter Umständen eine Kostenreduzierung erzielt. Bei anderen Ausgestaltungen ist eine nur teilweise Übernahme von Systemfunktionen in den Brennstoffzellensystemcluster verwirklicht, wobei weitere, funktional eigenständige Bauteile im System verbleiben.
9 zeigt einen Querschnitt eines Scheibenpakets, das zwischen einer oberen Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 41 und einer unteren MEA 42 angeordnet ist. Erste Strömungskanäle 43 dienen einer Beaufschlagung der oberen MEA 41 mit einem Kathodengas, während zweite Strömungskanäle 44 einer Beaufschlagung der unteren MEA 42 mit einem Anodengas dienen. Dritte Strömungskanäle 45 dienen der Führung eines ersten Temperiermediums, beispielsweise Kühlmittel oder Kühlluft. Die ersten Strömungskanäle 43 kommunizieren über Durchbrüche 46 in einer benachbarten Scheibe mit vierten Strömungskanälen, wodurch eine Kathodengaszudosierung entlang der ersten Strömungskanäle möglich wird.
10 zeigt einen Querschnitt eines weiteren Scheibenpakets, welches zwischen einer oberen Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 51 und einer unteren MEA 52 angeordnet ist. Erste Strömungskanäle 53 dienen einer Beauf schlagung der oberen MEA 51 mit einem Kathodengas, während zweite Strömungskanäle 54 einer Beaufschlagung der unteren MEA 52 mit einem Anodengas dienen. Dritte Strömungskanäle 55 dienen der Führung eines ersten Temperiermediums, beispielsweise Kühlluft. Die ersten Strömungskanäle 53 kommunizieren über fluchtende Durchbrüche 56 zweier zueinander benachbarter Scheiben mit den dritten Strömungskanälen 55, wodurch eine Kathodengaszudosierung insbesondere mit Luft oder Sauerstoff entlang der ersten Strömungskanäle möglich wird. Vierte Strömungskanäle dienen der Führung eines zweiten Temperiermediums, beispielsweise flüssigen Kühlmittels.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind einige oder alle dritten Strömungskanäle einseitig mit einer Kathodengasquelle, wie beispielsweise einem Kompressor, verbunden und auf der anderen Seite verschlossen.
11 zeigt einen Querschnitt eines Scheibenpakets, das zwischen einer oberen Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 61 und einer unteren MEA 62 angeordnet ist. Erste Strömungskanäle 63 dienen einer Beaufschlagung der oberen MEA 61 mit einem Kathodengas, während zweite Strömungskanäle 64 einer Beaufschlagung der unteren MEA 62 mit einem Anodengas dienen. Dritte Strömungskanäle 65 dienen der Führung eines ersten Temperiermediums, beispielsweise Kühlmittel oder Kühlluft. Die ersten Strömungskanäle 63 kommunizieren über Durchbrüche 66 in einer benachbarten Scheibe mit vierten Strömungskanälen 67, wodurch eine Kathodengaszudosierung beispielsweise mit Reaktionsluft entlang der ersten Strömungskanäle möglich wird. Fünfte Strömungskanäle 68 dienen der Führung eines dritten Temperiermediums, beispielsweise eines flüssigen Kühlmittels oder Kühlluft. Die dritten Strömungskanäle 65 und/oder die fünften Strömungskanäle 68 sind bei diesem Ausführungsbeispiel auch für die Verdampfung, Umsetzung und dergleichen des ersten beziehungsweise dritten Temperiermediums verwendbar.
12 zeigt ein Scheibenpaket mit ersten Strömungskanälen 73 und zweiten Strömungskanälen 74. Dritte Strömungskanäle 75 dienen der Führung eines ersten Temperiermediums, beispielsweise Kühlmittel oder Kühlluft, während vierte Strömungskanäle 77, 78 der Führung eines zweiten Temperiermediums dienen. Die dritten Strömungskanäle sind durch eine Mehrzahl parallel angebrachter Scheibenelemente 79, die in besonderes bevorzugter Ausführung konturiert sind, beispielsweise in Form einer Wellrippe, in mehrere Teilkanäle unterteilt. Hierdurch wird die gegebenenfalls von den ersten, zweiten und/oder vierten Strömungskanälen thermisch entkoppelte Oberfläche der dritten Strömungskanäle 75 beispielsweise für eine insbesondere katalytische Reaktion vergrößert.

Claims

Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion, insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie, mit zumindest einem ersten Strömungskanal für ein erstes Reaktionsmedium, zumindest einem zweiten Strömungskanal für ein sich von dem ersten Reaktionsmedium unterscheidendes zweites Reaktionsmedium, zumindest einem dritten Strömungskanal für ein erstes Temperiermedium und zumindest einem vierten Strömungskanal für ein sich von dem ersten Temperiermedium unterscheidendes zweites Temperiermedium.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch jeweils mehrere erste, zweite, dritte und/oder vierte Strömungskanäle.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen fünften Strömungskanal für ein sich von dem ersten und dem zweiten Temperiermedium unterscheidendes drittes Temperiermedium.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein erster und/oder zweiter Strömungskanal mit zumindest einem dritten und/oder vierten Strömungskanal kommunizierend verbunden ist, insbesondere über einen oder mehrere Durchbrüche in einer Trennwand zwischen dem ersten oder zweiten Strömungskanal und dem dritten oder vierten Strömungskanal.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das zweite Temperiermedium in seiner Wärmekapazität oder seinem Aggregatzustand von dem ersten Temperiermedium unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der vierte Strömungskanal in seiner Form oder Querschnittsfläche von dem dritten Strömungkanal unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Temperiermedium gasförmig ist und insbesondere Luft aufweist oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Temperiermedium flüssig ist und insbesondere Wasser aufweist oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder das zweite Reaktionsmedium gasförmig ist und insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff oder Luft aufweist oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein dritter und/oder vierter Strömungskanal einen Katalysator für eine chemische Reaktion des ersten beziehungsweise zweiten Temperiermediums aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator als Schüttgut, insbesondere Pulver, Granulat, Tabletten, Pellets oder dergleichen, ausgebildet ist oder in einem Schüttgut enthalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator in einer insbesondere austauschbaren Patrone gehalten ist, die bevorzugt als Käfig für ein Schüttgut ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator auf einer Oberfläche angeordnet ist, die von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator auf einem von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelten Scheibenelement angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Kanalwand und/oder das von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelte Scheibenelement Vorsprünge aufweist, wobei sich die Kanalwand und das von anderen Strömungskanälen thermisch entkoppelte Scheibenelement insbesondere nur an den Vorsprüngen berühren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Kanalwand und/oder das von der jeweiligen Kanalwand thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere als Oberflächenbeschichtung ausgebildeten thermischen Isolator aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermisch entkoppelte Scheibenelement einen insbesondere katalytisch beschichteten Wabenkörper umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermisch entkoppelte Scheibenelement teilweise oder ganz aus einem keramischen Material besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermisch entkoppelte Scheibenelement ein Fasermaterial, insbesondere ein Gestrick oder Filz umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermisch entkoppelte Scheibenelement teilweise oder ganz aus einem Metall besteht und insbesondere mit wenigstens einer Kanalwand elektrisch leitend verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein dritter und/oder vierter Strömungskanal mit einem ersten und/oder zweiten Strömungskanal kommuniziert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Verteil- und/oder Sammelkanal zur Verteilung beziehungsweise Sammlung des jeweiligen Mediums auf die beziehungsweise aus den ersten, zweiten, dritten beziehungsweise vierten Strömungskanälen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung Scheibenelemente aufweist, wobei zumindest ein erster, zweiter, dritter und/oder vierter Strömungskanal durch einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Scheibenelementen gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei benachbarte Scheibenelemente als insbesondere aufeinander zuweisende Halbschalen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein erster, zweiter, dritter und/oder vierter Strömungskanal als Einprägung in einem Scheibenelement ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein erster, zweiter, dritter und/oder vierter Strömungskanal serpentinenartig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scheibenelemente Durchbrüche zur Bildung des oder der Verteil- und/oder Sammelkanäle aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Verteil- und/oder Sammelkanal außerhalb der Scheiben elemente angeordnet ist und mit dem Zwischenraum zwischen zwei Scheibenelementen kommuniziert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Strömungskanal miteinander kommunizieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Strömungskanal durch zumindest eine insbesondere diffusionsdurchlässige Membran voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Scheibenelemente aus Metall oder einer Legierung bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein erster, zweiter, dritter und/oder vierter Strömungskanal zumindest ein Oberflächenvergrößerungselement aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Oberflächenvergrößerungselement durch eine Turbulenzeinlage oder durch eine Wandeinprägung und/oder -ausprägung gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei benachbarte Scheibenelemente umlaufend dichtend miteinander verbunden sind, insbesondere durch Schweißen, Löten und/oder mechanisches Umformen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster, zweiter, dritter und/oder vierter Strömungskanal Teil eines geschlossenen Kreislaufs ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster, zweiter, dritter und/oder vierter Strömungskanal Teil eines Kreislaufs mit einer Fluidfördereinrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einem ersten und/oder zweiten Strömungskanal und einem dritten Strömungskanal ein vierter Strömungskanal angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Scheibenelement zumindest eine Vertiefung, insbesondere Einprägung zur Bildung eines ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Strömungskanals aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scheibenelemente zur Bildung eines Scheibenstapels aufeinandergestapelt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils einige, insbesondere vier Scheibenelemente zu einem Scheibenpaket aufeinandergestapelt sind, und daß die Scheibenpakete abwechselnd mit Membranen und/oder Elektrolyteinheiten zur Bildung eines Scheibenstapels aufeinanderstapelbar sind.
Scheibenpaket, insbesondere zur Bildung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest zwei Scheibenpaaren, wobei ein Zwischenraum zwischen den Scheibenpaaren zumindest einen dritten Strömungskanal bildet, und wobei jedes Scheibenpaar zwei Scheiben aufweist, deren Zwischenraum einen vierten Strömungkanal bildet.