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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann Wasserstoff mit Sauerstoff chemisch zum Reaktionsprodukt Wasser umgesetzt werden, wobei Wärme und elektrischer Strom entstehen. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird. Wasserstoff und Luft werden der Brennstoffzelle über kanalartige Strukturen sowie jeweils einer als Verteiler dienenden Gasdiffusionslage (GDL) einer reaktiven Schicht, der sogenannten Membranelektrodenanordnung (MEA), zur Verfügung gestellt.
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Das Reaktionsprodukt Wasser kann als flüssiges Wasser sowie Wasserdampf an der MEA vorliegen, und zwar vorrangig auf der Luft- bzw. Kathodenseite der MEA. In der anliegenden GDL kondensiert zumindest ein Teil des Wasserdampfs zu flüssigem Wasser. Um die Leistung der Brennstoffzelle nicht zu reduzieren, muss das flüssige Wasser aus der Brennstoffzelle geschaffen werden. Gleiches gilt für Wasser, das durch Diffusion und Thermo-Osmose von der Luft- bzw. Kathodenseite auf die Wasserstoff- bzw. Anodenseite gelangt. Da in der Regel der Wasserstoff vor Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet wird, akkumuliert das durch die Membran der MEA migrierte Wasser mit dem zum Befeuchten rezirkulierten Wasser und führt in Verbindung mit dem sinkenden Wasserstoffpartialdruck Richtung Zellausgang zur Kondensation. Auch dieses Wasser muss - analog zur Situation auf der Kathodenseite - aus der Brennstoffzelle abgeführt werden, und zwar möglichst ohne die Wasserstoffströmung zu behindern.
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Flüssiges Wasser in Tropfenform kann beispielsweise mit Hilfe des jeweiligen Gasstroms in den kanalartigen Strukturen der Kathoden -und/oder Anodenseite abtransportiert werden. Am Kanalrand haftenbleibende Tropfen können jedoch den jeweiligen Gasstrom behindern, so dass der Gasdurchsatz im betreffenden Kanal schwankt und die Leistung der Brennstoffzelle nicht konstant ist. Um dies zu vermeiden, kann zumindest eine den Kanal begrenzende Oberfläche hydrophil ausgeführt werden, so dass sich - anstelle der Tropfen - ein möglichst durchgängiger Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche bildet. Der Querschnitt des Kanals kann auf diese Weise annähernd konstant gehalten werden.
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Die kanalartigen Strukturen können insbesondere durch dünne, geprägte Metallbleche gebildet werden, die in einem Brennstoffzellenstapel aufeinanderliegen, gemeinsam eine Bipolarplatte ausbilden und der Medienversorgung sowie der Medientrennung dienen. Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe eines offenporösen Materials eine an eine GDL angrenzende Gasverteilerlage ausgebildet werden. Die Medientrennung kann dann mit Hilfe eines dünnen Metallblechs ohne Prägung, der sogenannten Separatorplatte, bewirkt werden. Die Gasverteilerlage aus offenporösem Material ist ebenfalls an die den Brennstoffzellenstapel durchziehenden Versorgungs- und Entsorgungskanäle angebunden. Der Abtransport von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel mit Hilfe des jeweiligen Gasstroms erfolgt dann über die an die Gasverteilerlage angebundenen Entsorgungskanäle. Im Übergang von der Gasverteilerlage in den jeweiligen Entsorgungskanal besteht jedoch regelmäßig die Gefahr, dass Tropfen in dem porösen Material hängen bleiben und den Gasstrom blockieren. In der Folge kann es somit ebenfalls zu Leistungsschwankungen kommen.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, den Abtransport von flüssigem Wasser, das im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels anfällt, über einen kathoden- oder anodenseitigen Gasstrom zu optimieren.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, so dass jeweils zwei der Medienversorgung und Medientrennung dienende Metallbleche aufeinanderliegen. Mindestens ein Metallblech ist dabei von mindestens einem Entsorgungskanal für ein Reaktionsgas durchsetzt, so dass eine in Kontakt mit dem Reaktionsgas gelangende Oberfläche des Metallblechs eine Kante ausbildet, über die das Reaktionsgas in den Entsorgungskanal abströmt. Erfindungsgemäß weist die Oberfläche mindestens einen an die Kante angrenzenden Oberflächenbereich auf, der in einer Richtung, die einer Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases entgegengesetzt ist, eine sich verringernde Breite besitzt und derart beschaffen ist, dass der Kontaktwinkel von Wasser um mindestens 20° größer als in einem angrenzenden weiteren Oberflächenbereich ist.
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Die in Kontakt mit dem Reaktionsgas gelangende Oberfläche des Metallblechs weist demnach im Bereich der Kante einen Oberflächenbereich auf, der sich hinsichtlich des Kontaktwinkels von Wasser gegenüber einem angrenzenden Oberflächenbereich unterscheidet. Der Oberflächenbereich kann insbesondere hydrophob sein, während der angrenzende Oberflächenbereich weniger hydrophob bzw. hydrophil ausgeführt ist, so dass dort der Kontaktwinkel von Wasser um mindestens 20° kleiner ist. Alternativ kann die Oberfläche auch zwei hydrophile Oberflächenbereiche aufweisen, wobei der an die Kante angrenzende Oberflächenbereich dann weniger hydrophil ausgeführt ist, so dass sich ein um mindestens 20° größerer Kontaktwinkel in diesem Bereich ergibt. Wesentlich ist lediglich, dass sich die Kontaktwinkel in den unterschiedlichen Oberflächenbereichen um mindestens 20° unterscheiden.
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Der angrenzende Oberflächenbereich, der gegenüber dem mindestens einen an die Kante angrenzenden Oberflächenbereich einen um mindestens 20° kleineren Kontaktwinkel aufweist, und damit weniger hydrophob bzw. hydrophiler als dieser Oberflächenbereich ausgeführt ist, fördert die Ausbildung von sehr flachen Tropfen oder sogar eines durchgängigen Wasserfilms, so dass in diesem Bereich der Strömungsquerschnitt für das Reaktionsgas weitgehend frei von blockierenden Wassertropfen ist.
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Die Gasströmung übt durch Reibung auf die Oberfläche des Wasserfilms oder der flachen Tropfen in Strömungsrichtung eine Scherspannung aus, und treibt so das Wasser stetig in Richtung Entsorgungskanal.
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Zur Kante hin grenzt dieser hydrophilere Oberflächenbereich an den mindestens einen Oberflächenbereich an, der weniger hydrophil bzw. hydrophob ausgeführt ist und bei dem der Kontaktwinkel von Wasser im Vergleich zum hydrophileren Oberflächenbereich zunimmt.
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Ein erhöhter Kontaktwinkel, der einhergeht mit einer kugeligeren Tropfenform, ist energetisch ungünstiger für einen Wassertropfen auf einer Oberfläche. Dasselbe gilt für einen durchgehenden Wasserfilm. Grund hierfür sind die zwischen den Wassermolekülen wirkenden Molekularkräfte, die an der Wasseroberfläche zur Ausbildung einer Oberflächenspannung führen, die stets versucht, die Größe der Wasseroberfläche minimal zu halten. Energetisch am ungünstigsten ist es, wenn der gesamte Tropfen sich von der Oberfläche ablösen muss wie beispielsweise an der Kante zum Entsorgungskanal, da er dort eine kugelartige Form annehmen muss.
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Wird ein im Gasstrom mitgeführter Wasserfilm oder Wassertropfen ganz oder teilweise auf die hydrophobere Oberfläche getrieben, so nimmt der Kontaktwinkel am Rand zu. Der Tropfen wird kugelförmiger, d.h. zu einem Wasserberg aufgetürmt, der eine vergleichsweise kleine Grundfläche besitzt. Auf diese Weise wird im Bereich der Kante die Ausbildung von Wassertropfen mit verbessertem Ablöseverhalten gefördert, da die Energiedifferenz zum vollständig ausgebildeten kugelförmigen Tropfen deutlich verringert ist. Ein Wassertropfen oder ein Wasserfilm an der Kante zum Entsorgungskanal kann nun leichter vom Gasstrom mitgerissen und über den Entsorgungskanal abgeführt werden.
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Dieser Mechanismus wird dadurch erleichtert, dass der mindestens eine an die Kante angrenzende hydrophobere Oberflächenbereich eine sich in einer der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzten Richtung verringernde Breite besitzt, das heißt zur Kante hin breiter wird. Dies hat zur Folge, dass die Breite des angrenzenden hydrophileren Oberflächenbereichs abnimmt. Bei nicht vollständiger Oberflächenbedeckung benetzt Wasser bevorzugt nur den hydrophileren Oberflächenbereich. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen wird demnach der mit Wasser benetzte Oberflächenbereich zur Kante hin gezielt verringert. Deshalb wird das vom Gasstrom transportierte Wasser wie in einem Trichter gezielt auf die hydrophileren Abschnitte konzentriert und sorgt dort an der Kante für einen erhöhten Wasserdurchfluss, was eine stetige Tropfenbildung und deren Abriss an der Kante fördert.
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Durch die allmähliche Abnahme der Breite der hydrophileren Bereiche in Strömungsrichtung werden den vom Gasstrom getriebenen Wassertropfen oder dem Wasserfilm die kugelartigere Form bzw. der größere Kontaktwinkel nicht schlagartig sondern allmählich über einen endlichen Strömungsweg aufgezwungen. Dadurch nimmt der Widerstand des Tropfens oder des Wasserfilms gegen die Formänderung ab, und es wird der Gasströmung erleichtert, die für diesen Prozess benötigte Energie aufzubringen.
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Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen wird demnach der Widerstand des Wassers gegenüber der Tropfenbildung und deren Abriss an der Kante gezielt verringert, so dass sich an der Kante Tropfen mit verbessertem Ablöseverhalten bilden. Die Kante kann daher auch als Abrisskante bezeichnet werden.
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Durch das verbesserte Ablöseverhalten der sich im Bereich der Kante bildenden Wassertropfen kann der Abtransport von flüssigem Wasser aus den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels vereinfacht werden. Insbesondere kann dem Haftenbleiben von Wassertropfen entgegengewirkt werden, so dass der Gasstrom in Richtung des Entsorgungskanals nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Demzufolge können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels besonders konstante Brennstoffzellenleistungen erreicht werden.
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Bei dem Wasser mitführenden Gasstrom bzw. Reaktionsgas kann es sich sowohl um Kathodengas bzw. Luft als auch um Anodengas, insbesondere Wasserstoff, handeln. Das mindestens eine Metallblech kann demnach sowohl kathodenseitig als auch anodenseitig angeordnet sein. Da in der Regel sowohl kathodenseitig als auch anodenseitig flüssiges Wasser abtransportiert werden muss, kann auch auf beiden Seiten jeweils ein Metallblech mit einer entsprechenden Oberfläche angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der angrenzende weitere Oberflächenbereich eine sich in der Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases verringernde Breite auf. Gleiches gilt somit für einen sich in diesem Oberflächenbereich ausbildenden Wasserfilm, so dass mit abnehmender Breite die Höhe des Wasserfilms wächst, bis es schließlich zur Ausbildung eines Wassertropfens kommt. Der Oberflächenbereich kann dabei bis an die Kante herangeführt sein oder in einem Abstand vor der Kante enden. Ist der Oberflächenbereich bis an die Kante herangeführt, kann dieser an der Kante auf null auslaufen oder eine gewisse Restbreite aufweisen, beispielsweise trichterförmig zusammenlaufen. Endet der Oberflächenbereich in einem Abstand zur Kante, ist dieser bevorzugt klein gewählt, um den Gasstrom nicht unnötig stark zu behindern.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der angrenzende weitere Oberflächenbereich im Bereich der Kante von zwei Oberflächenbereichen flankiert wird, in denen der Kontaktwinkel von Wasser um mindestens 20° größer ist. Ein sich im angrenzenden weiteren Oberflächenbereich ausbildende Wasserfilm wird dann von beiden Seiten aus zusammengeschoben, so dass die Ausbildung eines Wassertropfens mit verbessertem Ablöseverhalten weiter gefördert wird.
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Bevorzugt läuft mindestens ein Oberflächenbereich der Oberfläche über mindestens eine gerade oder geschwungen verlaufende Grenzlinie spitz zu. Die Grenzlinie definiert dabei die Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Oberflächenbereichen, die sich hinsichtlich des Kontaktwinkels von Wasser unterscheiden. Der mindestens eine spitz zulaufende Oberflächenbereich kann insbesondere die Form eines Dreiecks oder eines Keils aufweisen. Mit Hilfe dieser Formen kann auch eine Teilung eines zunächst noch flächigen Wasserfilms bewirkt werden, so dass an der Kante bzw. in Kantennähe mehrere Wassertropfen ausgebildet werden.
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Vorteilhafterweise bildet das Metallblech, beispielsweise durch eine entsprechende Prägung, mindestens einen die Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases definierenden Kanal aus, der unmittelbar oder mittelbar, an die Kante angrenzt. Der Kanal kann beispielsweise Teil eines Verteilerfelds sein. Der wasserführende Gasstrom wird somit über den mindestens einen Kanal in Richtung des Entsorgungskanals geleitet.
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Bevorzugt bildet der Kanal mehrere winklig zueinander angeordnete Kanalwände aus. Beispielsweise kann der Kanal im Querschnitt trapezförmig ausgeführt sein, so dass er von drei winklig zueinander angeordneten Kanalwänden begrenzt wird. Die erfindungsgemäß vorgesehenen unterschiedlichen Oberflächenbereiche können sich dabei über mindestens eine Kanalwand erstrecken, die unmittelbar oder mittelbar an die Kante angrenzt. Bevorzugt weisen alle Kanalwände jeweils mindestens zwei unterschiedliche Oberflächenbereiche auf, die sich hinsichtlich des Kontaktwinkels von Wasser um mindestens 20° unterscheiden. Die Oberflächenbereiche mit dem jeweils größeren Kontaktwinkel erstrecken sich dabei jeweils von der Kante aus in den jeweils anderen Oberflächenbereich hinein, wobei mit zunehmender Entfernung von der Kante zugleich die Breite des Oberflächenbereichs abnimmt. Auf diese Weise wird der zuvor beschriebene Effekt auf alle Kanalwände ausgedehnt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass sich die unterschiedlichen Oberflächenbereiche, die sich hinsichtlich des Kontaktwinkels von Wasser unterscheiden, über einen an den Kanal angrenzenden Bereich des Metallblechs erstrecken. Dieser Bereich wird auch als „Land“ bezeichnet, an der üblicherweise die jeweilige GDL anliegt. Auf diese Weise kann der Abtransport von flüssigem Wasser durch die GDL in Richtung des Entsorgungskanals optimiert werden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass an dem mindestens einen Metallblech ein offenporöses Material zur Ausbildung einer Gasverteilerlage angeordnet ist. Das Metallblech ist in diesem Fall bevorzugt als Separatorplatte ausgeführt, die keine Prägung zur Ausbildung einer kanalbildenden Struktur aufweist, denn die kanalbildende Struktur wird durch die offenporöse Struktur der Gasverteilerlage ersetzt. Die Separatorplatte kann die offenporöse Struktur von einer weiteren Separatorplatte oder von einem geprägten Metallblech trennen, das dann keine Bipolarplatte, sondern eine Monopolarplatte ausbildet. Vorzugsweise ist das offenporöse Material der Gasverteilerlage im Bereich der Kante ausgespart. Im Bereich der Aussparung kann dann die Separatorplatte bzw. das Metallblech erfindungsgemäß ausgebildet sein, das heißt mindestens zwei Oberflächenbereiche aufweisen, die sich hinsichtlich des Kontaktwinkels von Wasser unterscheiden. Auf diese Weise kann der Abtransport von flüssigem Wasser durch die Gasverteilerlage verbessert werden.
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Bevorzugt ist mindestens ein Oberflächenbereich der Oberfläche einer Bipolarplatte durch Plasmabehandlung, Laserbehandlung, Silikatisierung, Beschichten mit einem hydrophilen Material, insbesondere mit einem Lack, Aufbringen von Nanopartikeln und/oder Aufrauen der Oberfläche hydrophil ausgeführt. Mit Hilfe der vorstehend genannten Maßnahmen, und zwar jeweils einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen, können die Benetzungseigenschaften eines Oberflächenbereichs derart verändert werden, dass sie hydrophil oder sogar superhydrophil sind. Entsprechend kann mit Hilfe eines derart behandelten Oberflächenbereichs die Ausbildung eines möglichst durchgängigen dünnen Wasserfilms gefördert werden.
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Ferner bevorzugt ist mindestens ein Oberflächenbereich der Oberfläche einer Bipolarplatte durch eine Kunststoffbeschichtung, beispielsweise durch eine Beschichtung mit Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Seltene Erd-Oxiden, durch Mikrostrukturierungen, Aufbringen von Nanopartikeln und/oder Aufrauen von Oberflächen hydrophob ausgeführt. Mit Hilfe der vorstehend genannten Maßnahmen - jeweils allein oder in unterschiedlichen Kombinationen - können die Benetzungseigenschaften eines Oberflächenbereichs derart verändert werden, dass sie hydrophob sind.
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Sofern die Bipolarplatte aus einem Metall hergestellt ist, das - wie beispielsweise Edelstahl - überwiegend hydrophile Eigenschaften besitzt, reicht eine Behandlung zu Hydrophobierung in zumindest einem Oberflächenbereich aus, so dass mindestens zwei Oberflächenbereiche geschaffen werden, die sich hinsichtlich des Kontaktwinkels von Wasser unterscheiden. Das heißt, dass das Metallblech in zumindest einem Oberflächenbereich unbehandelt bleiben kann. Bei einem vorrangig hydrophoben Grundmaterial kann dieses zunächst flächig durch eine der genannten Behandlungen mit einer hydrophilen Oberfläche versehen werden, die dann zur Ausbildung mindestens eines hydrophoben Oberflächenbereichs in diesem Bereich wieder entfernt bzw. abgetragen wird, beispielsweise durch Abschleifen oder Weglasern. Gegebenenfalls muss der Oberflächenbereich anschließend poliert werden. Alternativ kann der hydrophob zu gestaltende Bereich vor der Hydrophilierung abgedeckt werden. Vorteilhafterweise werden diese Schritte vor dem Prägen des Metallblechs ausgeführt, so dass erst danach eine medienführende Struktur ausgebildet wird. Diese erleichtert die Ausbildung einer Oberfläche mit variierenden Benetzungseigenschaften, die sich über mehrere Wände der geprägten Struktur erstreckt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Metallblechs mit einer einen Kanal ausbildenden Prägung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Metallblechs mit einer einen Kanal ausbildenden Prägung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
- 3 eine Draufsicht auf eine mit Wasser benetzte Oberfläche eines Metallblechs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
- 4 a) -4 c) jeweils eine Draufsicht auf Oberfläche eines Metallblechs für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,
- 5 a) -5 c) jeweils eine Draufsicht Oberfläche eines Metallblechs für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,
- 6 einen schematischen Querschnitt durch eine mit Wasser benetzte, hydrophobe Oberfläche eines Metallblechs,
- 7 einen schematischen Querschnitt durch eine mit Wasser benetzte hydrophile Oberfläche eines Metallblechs,
- 8 eine perspektivische Darstellung eines geprägten Metallblechs mit einer mit Wasser benetzten Oberfläche,
- 9 einen Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 10 einen Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform und
- 11 eine Draufsicht auf ein geprägtes Metallblech.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Metallblech 3 mit einer Oberfläche 6 zu entnehmen, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Metallblechs 3 in einem Brennstoffzellenstapel 1 in Kontakt mit einem Reaktionsgas gelangt. Das Metallblech 3 ist zur Ausbildung mindestens eines das Reaktionsgas führenden Kanals 5 geprägt. Der Kanal 5 wird vorliegend durch die Kanalwände 13, 14 und 15 begrenzt. An die seitlichen Kanalwände 14, 15 schließt jeweils ein Landbereich 16 an.
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Verwendungsbeispiele des Metallblechs 3 sowie eines weiteren Metallblechs 4, das im Unterschied zum Metallblech 3 keinen Kanal 5 ausbildet, sind in den 9 und 10 dargestellt. Diese zeigen jeweils einen Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel 1 mit mehreren Brennstoffzellen 2 in gestapelter Anordnung, so dass jeweils zwei geprägte Metallbleche 3 (10) oder ein geprägtes Metallblech 3 und ein weiteres Metallblech 4 (9) zur Medienversorgung der Brennstoffzellen 2 aufeinanderliegen. In der 9 ist zudem eine Gasverteilerlage 18 aus einem offenporösen Material 17 vorgesehen, das in das Metallblech 4 eingelegt ist, welches hierzu wannenartig ausgeführt ist. In der 10 wird die Medienversorgung sowohl kathoden- als auch anodenseitig jeweils mit Hilfe eines geprägten Metallblechs 3 erzielt, so dass eine Gasverteilerlage 18 aus einem offenporösen Material 17 entbehrlich ist.
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Die in den 9 und 10 dargestellten Brennstoffzellen 2 weisen jeweils eine MEA 20 mit einer beschichteten Membran 21 und beidseits anliegender Gasdiffusionslage bzw. GDL 22 auf.
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Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels 1 fällt Wasser als Reaktionsprodukt an, das als Wasserdampf und/oder als flüssiges Wasser in Form von Tropfen vorliegen kann. Da Wassertropfen die Medienversorgung der Brennstoffzellen 2 behindern können, muss anfallendes Produktwasser mit Hilfe des jeweiligen Gasstroms aus den Brennstoffzellen 2 abtransportiert werden. Der Abtransport kann dabei über Kanäle 5 eines Metallblechs 3 und/oder über ein offenporöses Material 17 einer Gasverteilerlage 18 erfolgen, das in ein Metallblech 4 eingelegt ist. Zur Optimierung des Abtransports weist ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 1 mindestens ein Metallblech 3, 4 mit einer Oberfläche 6 auf, die in mindestens einem Oberflächenbereich 9, 10 veränderte Benetzungseigenschaften besitzt.
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Im Ausführungsbeispiel der 1, endet der Kanal 5 an einer Kante 7, über welche der Kanal 5 in einen senkrecht hierzu verlaufenden Entsorgungskanal 8 (siehe 11) übergeht. Die Kanalwand 13 weist einen an die Kante 7 angrenzenden ersten Oberflächenbereich 10 auf, der gegenüber einem weiteren Oberflächenbereich 9 hydrophob bzw. weniger hydrophil ausgeführt ist. Der weitere Oberflächenbereich 9 ist dagegen hydrophil bzw. hydrophiler ausgeführt, so dass in diesem Bereich die Ausbildung eines Wasserfilms gefördert wird, wenn der Kanal 5 von einem wasserführenden Gasstrom durchströmt wird. Im Übergang zum Oberflächenbereich 10, wird der Wasserfilm aufgrund der veränderten Benetzungseigenschaften zusammengeschoben, was ferner dadurch unterstützt wird, dass der Oberflächenbereich 9 in Richtung der Kante 7 spitz zuläuft. Mit der Breite des Oberflächenbereichs 9 nimmt auch die Breite des Wasserfilms ab, während die Höhe des Wasserfilms beim Transport in Richtung der Kante 7 ansteigt.
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Dieser Vorgang ist beispielhaft in der 3 dargestellt, wobei für den strömenden Wasserfilm mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Phasen in einer Zeichnung in Form von Querschnitten wiedergegeben sind. Durch die kontinuierliche Verengung des hydrophil bzw. hydrophiler ausgeführten Oberflächenbereichs 9 in der Hauptströmungsrichtung x des Reaktionsgases wird der vom Gasstrom mitgeführte Wasserfilm 19 in Richtung der Kante 7 immer mehr in y-Richtung konzentriert, was schließlich zur Tropfenbildung führt.
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In der 1 erstrecken sich die unterschiedlichen Oberflächenbereiche 9, 10 auch über die an die Kanalwand 13 seitlich angrenzenden Kanalwände 14, 15, so dass sich an den Kanalwänden 14, 15 ausbildende Wasserfilme in Richtung der Kanalwand 13 konzentriert werden. Dieser Vorgang ist beispielhaft in der 8 dargestellt, die - analog der 3 - mehrere zeitlich bzw. räumlich aufeinanderfolgende Phasen in einer Darstellung zeigt. Durch die unterschiedlichen Oberflächenbereiche 9, 10 über alle Kanalwände 13, 14, 15 hinweg kann die Ausdehnung des Wasserfilms in der Fläche gezielt verringert werden, so dass im Gasstrom mitgeführtes Wasser 19 in Richtung der Kante 7 auf kleiner Fläche konzentriert wird und es zur Tropfenbildung kommt.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, kann der hydrophil bzw. hydrophiler ausgeführte Oberflächenbereich 9 der Kanalwand 13 in Richtung der Kante 7 auch mehrfach spitz zulaufen, so dass der Wasserfilm beim Transport in Richtung der Kante 7 durch mindestens einen dreieckig oder keilförmig ausgebildeten Oberflächenbereich 10 geteilt wird. Zudem können die an den Kanal 5 angrenzenden Landbereiche 16 unterschiedliche Oberflächenbereiche 9, 10 aufweisen, so dass der zuvor beschriebene Effekt auch in diesen Bereichen erzielt wird.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele spitz zulaufender Oberflächenbereiche 9, 10 sind beispielhaft in den 4a) -4c) sowie in den 5a) -5c) dargestellt.
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In den 4a) -4c) weisen die hydrophob bzw. weniger hydrophil ausgeführten Oberflächenbereiche 10 jeweils eine Dreiecksform auf, die über gerade verlaufende Grenzlinien 12 vom hydrophil ausgeführten Oberflächenbereich 9 getrennt sind. In den 4a) und 4b) reicht der hydrophil ausgeführte Oberflächenbereich 9 jeweils bis an die Kante 7 heran, wobei er in der 4a) auf null ausläuft und in der 4b) noch eine gewisse Breite besitzt. In der 4c) endet der hydrophil ausgeführte Oberflächenbereich 9 in einem Abstand a vor der Kante 7.
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In den 5a) -5c) werden die hydrophil ausgeführten Oberflächenbereiche 9 von den hydrophob bzw. weniger hydrophil ausgeführten Oberflächenbereichen 10 jeweils durch konkav und/oder konvex geschwungene Grenzlinien 12 getrennt.
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Die in den 4a) -4c) sowie in den 5a) -5c) dargestellten Ausführungsbeispiele können beliebig kombiniert und im Bereich mindestens einer Kanalwand 13, 14, 15 realisiert werden. Die angrenzenden Landbereiche 16 können analog ausgeführt werden.
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6 zeigt beispielhaft einen Oberflächenbereich 10 einer Oberfläche 6, die hydrophob ausgeführt ist. Der Kontaktwinkel a ist in diesem Fall > 90°, das heißt ein stumpfer Winkel.
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7 zeigt einen Oberflächenbereich 9 einer Oberfläche 6, die hydrophil ausgeführt ist. Der Kontaktwinkel α ist in diesem Fall < 90°, das heißt ein spitzer Winkel.
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Wie beispielhaft in der 11 dargestellt kann ein Kanal 5 eines Metallblechs 3 auch vor der Kante 7 bzw. dem Entsorgungskanal 8 enden, so dass Platz für die Anordnung von Stützstrukturen 23 und/oder Dichtungen (nicht dargestellt) geschaffen wird. Ferner kann ein Verteilerfeld 11 vorgesehen sein, über welches beispielsweise mehrere parallel verlaufende Kanäle 5 in Richtung des Entsorgungskanals 8 strahlenförmig zusammenführt werden.
