-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidverteiler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei der Fluidverteiler zum Verteilen eines Fluidstromes in zumindest zwei Fluidteilströme oder zum Zusammenführen von zumindest zwei Fluidteilströmen eines Fluidstroms ausgebildet ist, eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 7 mit einem Fluidverteiler, einen Elektrolyseur nach Anspruch 9 mit einem Fluidverteiler sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 10 zur Funktion eines Fluidverteilers, wobei durch den Fluidverteiler ein Fluidstrom in zumindest zwei Fluidteilströme verteilt oder zumindest zwei Fluidteilströme zu einem Fluidstrom zusammengeführt werden.
-
STAND DER TECHNIK
-
In Brennstoffzellen und Elektrolyseuren werden Fluide wie beispielsweise der zugeführte beziehungsweise erzeugte Brennstoff und das zugeführte beziehungsweise erzeugte Oxidationsmittel durch dünne Separatoren getrennt. Für eine Erleichterung der Reaktion können ferner in beiden Vorrichtungen hochaktive Katalysatoren zum Einsatz kommen. Bei einem Versagen des Separators oder bereits bei einer Lochbildung im Separator können sich der Brennstoff und das Oxidationsmittel vermischen. Es besteht die Möglichkeit, dass sich daraus ein brennbares und/oder explosives Gemisch bildet, welches sich insbesondere an einem vorhandenen Katalysator entzünden kann.
-
Brennstoffzellen und Elektrolyseure werden üblicherweise zur Erhöhung der Effektivität und des Durchsatzes jeweils derart ausgeführt, dass mehrere Brennstoffzellen beziehungsweise Elektrolyseure zu einem System – aufweisend einen Stapel an Brennstoffzellen beziehungsweise Elektrolyseuren – zusammengefasst werden. Da nicht ausgeschlossen werden kann, dass sich in einer der jeweils verwendeten Brennstoffzellen oder in einem der verwendeten Elektrolyseuren eine Leckage ausbildet und sich darauf folgend eine Entzündung des ausströmenden Fluides ereignen kann, ist es bekannt, die gesamte Stapelarchitektur, das heißt, die Gasverteilung und Zusammenführung des gesamten Stapels, derart auszubilden, dass eine Ausbreitung einer Flammenfront von einer Brennstoffzelle zur Nächsten beziehungsweise von einem Elektrolyseur zum Nächsten verhindert werden kann. Eine Verhinderung der Ausbreitung einer Flammenfront innerhalb einer einzigen Brennstoffzelle beziehungsweise eines einzigen Elektrolyseurs kann jedoch dadurch nicht erreicht werden.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Fluidverteiler, Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Verfahren zur Funktion eines Fluidverteilers zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fluidverteiler, eine Brennstoffzelle, einen Elektrolyseur sowie ein Verfahren zur Funktion eines Fluidverteilers bereitzustellen, die möglichst einfach, kostengünstig und technisch sichern sind.
-
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Fluidverteiler mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 7, mit einem Elektrolyseur mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Verfahren zur Funktion eines Fluidverteilers mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten die Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fluidverteiler beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur und dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets zweckweise Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
-
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Fluidverteiler, wobei der Fluidverteiler zum Verteilen eines Fluidstromes in zumindest zwei Fluidteilströme oder zum Zusammenführen von zumindest zwei Fluidteilströmen eines Fluidstroms ausgebildet ist, gelöst. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Fluidverteiler dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidverteiler mit einer Flammensperre ausgestattet ist. Der Fluidverteiler stellt dabei das Bindeglied zwischen einer Fluidleitung und dem Einsatzort des Fluides dar. Der Einsatzort des Fluides kann dabei beispielsweise die aktive Fläche einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs sein. Im Fluidverteiler wird ein Fluidstrom in zumindest zwei Fluidteilströme aufgeteilt. Die einzelnen Fluidteilströme werden durch den Fluidverteiler dem Einsatzort, wiederum beispielsweise in einer Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur, zugeführt. Erfindungsgemäß kann ein Fluidverteiler auch für die Umkehrung des Vorgangs, das heißt das Zusammenführen von Fluidteilströmen zu einem einzigen Fluidstrom nach dem Einsatzort, ausgebildet sein. Das durch den Fluidverteiler verteilte Fluid kann dabei oftmals brennbar oder hochreaktiv sein. Bei einer Beschädigung, beispielsweise am Einsatzort, kann deshalb eine Entzündung des Fluides nicht ausgeschlossen werden. Erfindungsgemäß ist daher der Fluidverteiler mit einer Flammensperre ausgestattet. Auf diese Weise kann eine Entzündung des Fluides sich nicht über den Fluidverteiler hinaus ausbreiten. Die Sicherheit einer Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßer Fluidverteiler verbaut ist, kann dadurch deutlich erhöht werden, da eine Ausbreitung beziehungsweise eine Entstehung einer Flamme oder einer Flammenfront bereits durch den erfindungsgemäßen Fluidverteiler unterbunden werden kann.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Fluidverteilers kann es vorgesehen sein, dass die Flammensperre zumindest abschnittsweise eine poröse Struktur aufweist. Derartige poröse Strukturen weisen kleine Normspaltweiten auf, die eine Ausbreitung einer Flamme sicher unterbinden. Eine Ausbreitung einer Flamme ist nur bei Überschreitung der Normspaltweite möglich. Beispielsweise beträgt für Wasserstoff die Normspaltweite bei atmosphärischen Bedingungen ca. 0,25 mm. Die Normspaltweite ist dabei vom Betriebsdruck des Fluides abhängig, insoweit ein höherer Betriebsdruck eine geringere Normspaltweite bedingt. Beispielsweise beträgt für das sehr reaktive Gemisch von ca. 25% Wasserstoff in Luft bei einem Betriebsdruck von 25 bar die Normspaltweite 0,15 mm. Durch die Verwendung einer zumindest abschnittsweise porösen Struktur für die Flammensperre können derartig kleine Normspaltweiten besonders einfach realisiert werden. Eine derartig poröse Struktur kann beispielsweise durch Sintermetalle, Metallfasersintermatten, Metallschäume und/oder Streckmetalle erreicht werden. Darüber hinaus kann eine poröse Struktur auch durch Kanalstrukturen gebildet sein Hierbei ist zu beachten ist, dass die Kanalstrukturen klein genug sind, um die Normspaltweiten einzuhalten. Die Verwendung einer porösen Struktur stellt somit eine besonders einfache und sichere Art und Weise dar, eine Flammensperre in einem Fluidverteiler zu realisieren.
-
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Fluidverteiler bevorzugt vorgesehen sein, dass die Flammensperre ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit weist die Flammensperre ein erhöhtes Wärmetauschvermögen auf. Dadurch ist es möglich, einer Flammenfront Wärmeenergie zu entziehen, sodass die Flammen der Flammenfront erlöschen oder bereits überhaupt nicht entstehen. Auch dies stellt eine sichere und einfache Art und Weise dar, eine Flammensperre in einem Fluidverteiler zu realisieren.
-
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Fluidverteiler vorgesehen sein, dass die Flammensperre eine katalytische Beschichtung aufweist. Eine Verbrennung stellt eine Oxidation dar. Durch eine katalytische Beschichtung der Flammensperre können in der Flammenfront Radikale entzogen werden, sodass diese Oxidationsreaktion zusammenbricht und die Flamme erlischt. Auch dadurch kann ein Ausbreiten einer Flammenfront beziehungsweise ein Entstehen einer Flammenfront sicher unterbunden werden. Dabei muss die katalytische Beschichtung der Flammensperre nicht durchgängig aufgebracht sein, ein abschnittsweises Aufbringen der katalytischen Beschichtung, beispielsweise durch ein Aufsputtern, kann bereits ausreichend sein.
-
Des Weiteren ist es bei dem erfindungsgemäßen Fluidverteiler denkbar, dass die katalytische Beschichtung ein Edelmetall, insbesondere Platin, aufweist. Edelmetalle sind chemisch besonders gut geeignet, um Radikale aus einer Flammenfront einzufangen und zu binden. Insbesondere Platin weist dabei einen besonders hohen Einfangsquerschnitt auf. Durch die Verwendung von Edelmetallen in der katalytischen Beschichtung kann somit die Funktion der Flammensperre nochmals verbessert werden.
-
Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Fluidverteiler vorgesehen sein, dass der Fluidverteiler zum Verteilen oder Zusammenführen eines Fluidstromes in einer Brennstoffzelle und/oder in einem Elektrolyseur einsetzbar ist. Insbesondere in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren sind brennbare und/oder hochreaktive Fluide vorhanden. So können beispielsweise in Brennstoffzellen reines Wasserstoffgas und reines Sauerstoffgas vorhanden sein. Elektrolyseure werden beispielsweise eingesetzt, um eben diese hochreaktiven Gase zu erzeugen. Dabei kann ein erfindungsgemäßer Fluidverteiler insbesondere in einem Einströmbereich, einem Ausströmbereich und/oder einer aktiven Fläche der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs einsetzbar sein. Ein sicheres Verhindern einer Flammbildung beziehungsweise ein sicheres Verhindern einer Ausbreitung einer Flammenfront bereits in der Brennstoffzelle beziehungsweise im Elektrolyseur verhindert, dass ein Stapel, in dem die Brennstoffzelle beziehungsweise der Elektrolyseur verbaut ist, als Ganzes durch die Flammenbildung bedroht ist. Dies trifft dabei sowohl auf die Brennstoffzelle als auch den Elektrolyseur zu. Letzterer ist zwar üblicherweise stabiler ausgebildet als eine Brennstoffzelle, ist aber grundsätzlich der gleichen Problematik der Flammenbildung, beispielsweise bei einem Loch in einem Separator, ausgesetzt.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Brennstoffzelle mit einem Fluidverteiler gelöst. Insbesondere kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle vorgesehen sein, dass der Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die zu einem Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, die einen derartigen Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist.
-
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle für stationäre, portable und/oder automobile Anwendungen einsetzbar ist. Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist somit vielseitig einsetzbar. Einschränkungen bezüglich des Einsatzortes beziehungsweise des Einsatzzweckes für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle bestehen nicht. In allen möglichen Einsatzvarianten kann die Sicherheit durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle erhöht werden.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Elektrolyseur mit einem Fluidverteiler gelöst. Insbesondere ist ein erfindungsgemäßer Elektrolyseur dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die zu einem Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für einen erfindungsgemäßen Elektrolyseur, der mit einem Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgestattet ist.
-
Gemäß einem vierten Aspekt der Verbindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Funktion eines Fluidverteilers, wobei durch den Fluidverteiler ein Fluidstrom in zumindest zwei Fluidteilströme verteilt oder zumindest zwei Fluidteilströme zu einem Fluidstrom zusammengeführt werden. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Funktion eines Fluidverteilers dadurch gekennzeichnet, dass durch den Fluidverteiler eine Entstehung und/oder eine Ausbreitung einer Flammenfront verhindert werden. Durch eine Verhinderung der Entstehung und/oder der Ausbreitung einer Flammenfront bereits im Fluidverteiler kann ein Ausbreiten einer Verbrennungsreaktion über den Fluidverteiler hinaus wirksam verhindert werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Fluidverteiler eine Flammensperre aufweist oder selbst als Flammensperre ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist dabei der Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet. Sämtliche Vorteile, die zu einem Fluidverteiler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich in diesem Fall selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Funktion eines Fluidverteilers. Insbesondere beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur kann dadurch auch ein Ausbreiten einer entstandenen oder entstehenden Flammenfront über die Brennstoffzelle oder den Elektrolyseur hinaus wirksam verhindert werden. Die Sicherheit einer Vorrichtung, in der ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Funktion eines Fluidverteilers ausgeführt wird, kann so deutlich erhöht werden.
-
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
-
Der erfindungsgemäße Fluidverteiler und seine Weiterbildungen sowie deren Vorteile, die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile, der erfindungsgemäße Elektrolyseur und seine Weiterbildung sowie deren Vorteile sowie das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildung sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt schematisch:
-
1 eine Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Fluidverteiler.
-
In 1 ist eine Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Fluidverteiler 1 gezeigt. Die Vorrichtung kann dabei eine Brennstoffzelle 5 oder ein Elektrolyseur 6 sein. In der Vorrichtung befindet sich eine aktive Fläche 7, in der, im Falle einer Brennstoffzelle 5, Fluide miteinander reagieren oder, im Falle eines Elektrolyseurs 6, Fluide in zwei oder mehrere Bestandteile aufgespalten werden. Die aktive Fläche 7 wird von einer Fluidzuführung 8 mit einem Fluidstrom 2 versorgt, der nach der aktiven Fläche 7 von einer Fluidabführung 9 wieder abgeleitet wird. Zwischen der Fluidzuführung 8 und der aktiven Fläche 7 befindet sich ein Fluidverteiler 1, in dem der Fluidstrom 2 in zwei Fluidteilströme 3 aufgeteilt wird. Im Anschluss an die aktive Fläche 7 befindet sich zwischen der aktiven Fläche 7 und der Fluidabführung 9 ein weiterer Fluidverteiler 1, in dem die beiden Fluidteilströme 3 wieder zu einem großen Fluidstrom 2 zusammengeführt werden. Die beiden Fluidteilströme 3 sind hierbei lediglich als Beispiel für eine Vielzahl von Fluidteilströmen 3 gezeigt, die durch die aktive Fläche 7 strömen. Beide Fluidverteiler 1 sind dabei erfindungsgemäß mit einer Flammensperre 4 versehen. Die Flammensperren können sich selbstverständlich auch in die aktive Fläche 7 erstrecken. Die Flammensperren können dabei beispielsweise eine poröse Struktur aufweisen, wodurch für die einzelnen Fluidteilströme 3 nur geringe Normspaltweiten zum Durchfließen der Flammensperre 4 zur Verfügung stehen. Derartige poröse Strukturen können dabei beispielsweise durch Sintermetalle, Metallfasersintermatten, Metallschwämme und/oder Streckmetalle erzeugt werden. Die Strukturen werden dabei bevorzugt so ausgelegt, dass der Strömungswiderstand für die Gasverteilung nicht übermäßig erhöht ist. Darüber hinaus können die Flammensperren 4 ein Material aufweisen, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auch hier bieten sich beispielsweise Metalle als Material der Flammensperren 4 an. Durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit kann einer Flammenfront Wärmeenergie entzogen werden, wodurch sie zum Erlöschen gebracht werden kann. Eine weitere Möglichkeit zur weiteren Verbesserung der Flammensperre 4 im Fluidverteiler 1 stellt eine katalytische Beschichtung innerhalb der Flammensperre 4 dar. Dabei wird die Flammensperre 4 beispielsweise mit einem Edelmetall besputtert. Durch das Edelmetall werden der Flammenfront Radikale entzogen, was wiederum zu einem Erlöschen der Flamme durch Unterbrechung der zugrundeliegenden Oxidationsreaktion führt. Kommt es in der aktiven Fläche zu einer Flammenbildung, wird diese durch die beiden erfindungsgemäß ausgebildeten Fluidverteiler, insbesondere durch die Flammensperren 4 in den erfindungsgemäß ausgebildeten Fluidverteilern 1, sicher gestoppt. Ein Ausbreiten der Flammenfront über die einzelne Brennstoffzelle 5 beziehungsweise den einzelnen Elektrolyseur 6 hinaus kann sicher verhindert werden. Die Sicherheit der Vorrichtung, in der die Brennstoffzelle 5 beziehungsweise der Elektrolyseur 6 verbaut ist, kann dadurch insgesamt erhöht werden. Da insbesondere in Brennstoffzellen 5 und Elektrolyseuren 6 hoch brennbare und/oder hoch reaktive Fluide, wie beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff, zum Einsatz kommen können, stellt dies eine große Steigerung der Betriebssicherheit dieser Vorrichtungen dar.
