DE10056673A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein FluidInfo
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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 (36)
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.
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