DE10262014B4

DE10262014B4 - Gasverteilungsvorrichtung für eine elektrochemische Elektrode, Elektrochemische Elektrodenanordnung, Elektroden-Membran-Einheit und Verfahren zur Reaktionsgasbeaufschlagung einer elektrochemischen Elektrode

Info

Publication number: DE10262014B4
Application number: DE10262014A
Authority: DE
Inventors: Armin Schneider; Heinz Sander
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: DE10262014A1

Abstract

Gasverteilungsvorrichtung für eine elektrochemische Elektrode (14; 16) mit einer Kanaleinrichtung (26) zur Beaufschlagung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode (14; 16) mit Reaktionsgas, mit einer Verteileinrichtung (28) zur Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung (26), mit einer Sammeleinrichtung (59) zur Abführung von Reaktionsgas und Reaktionsprodukten von der Kanaleinrichtung (26) und mit einer Steuerungsvorrichtung (82), mittels welcher der Kanaleinrichtung (26) Reaktionsgas zeitlich gesteuert zuführbar ist und unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte zeitlich gesteuert abführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (26) und die Sammeleinrichtung (59) so ausgebildet sind, dass ihre Funktionsweise bezüglich Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung (26) und Abführung von Fluid von der Kanaleinrichtung (26) umschaltbar vertauschbar ist und dass die Zuführungsrichtung für Reaktionsgas und Abführungsrichtung für Fluid bezogen auf einen Kanal durch die Steuerungsvorrichtung (82) zeitlich gesteuert wechselbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilungsvorrichtung für eine elektrochemische Elektrode mit einer Kanaleinrichtung zur Beaufschlagung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode mit Reaktionsgas, mit einer Verteileinrichtung zur Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung, mit einer Sammeleinrichtung zur Abführung von Reaktionsgas und Reaktionsprodukten von der Kanaleinrichtung und mit einer Steuerungsvorrichtung, mittels welcher der Kanaleinrichtung Reaktionsgas zeitlich gesteuert zuführbar ist und unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte zeitlich gesteuert abführbar sind.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reaktionsgasbeaufschlagung einer elektrochemischen Elektrode, bei dem das Reaktionsgas einem elektrochemisch aktiven Bereich der Elektrode über Kanäle zugeführt wird und das Reaktionsgas zeitlich gesteuert zugeführt wird und Fluid zeitlich gesteuert abgeführt wird.
Gasverteilungsvorrichtungen für eine elektrochemische Elektrode mit einer Kanaleinrichtung zur Beaufschlagung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode mit Reaktionsgas und mit einer Verteileinrichtung zur Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung werden beispielsweise in Brennstoffzellen eingesetzt, um Oxidans und Brennstoff als Reaktionsgase der Kathode bzw. der Anode zuzuführen und um nicht verbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte von den jeweiligen Elektroden abzuführen.
Ein Gasverteiler für eine Brennstoffzelle ist in der DE 198 08 331 C2 beschrieben.
Aus der DE 101 07 127 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches eine Steuereinheit aufweist, die die Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems derart steuert, dass, wenn die Steuereinheit unterscheidet, dass Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenpaket auf einem übermäßigen Niveau verbleibt, die Steuereinheit die Ansaugleistung einer Wasserstoffansaugpumpe erhöht, den Öffnungsgrad eines ersten Wasserstoffsteuerventils verringert und darauffolgend dass das erste Wasserstoffsteuerventil öffnet, während Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird.
Aus der DE 101 07 128 A1 ist ein Brennstoffzellensystem, das für ein bewegliches Objekt verwendet wird, bekannt, welches eine Brennstoffzelle und ein erstes Strömungssteuerventil aufweist. Das Strömungssteuerventil steuert die Strömungsgeschwindigkeit von sauerstoffhaltigem Gas, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist. Ein zweites Strömungssteuerventil steuert die Strömungsgeschwindigkeit von wasserstoffhaltigem Gas, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist. Eine Steuereinheit öffnet das erste Strömungssteuerventil und das zweite Strömungssteuerventil, um das sauerstoffhaltige Gas und das wasserstoffhaltige Gas der Brennstoffzelle als Spülfluid zuzuführen, um Wasser aus der Brennstoffzelle im Ansprechen auf einen Lastzustand eines beweglichen Objekts zu entfernen.
Aus der DE 43 30 623 C2 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung bekannt, wobei bei einer Ausführungsform Brennstoff und Oxidationsgas in zueinander entgegengesetzten Richtungen zugeführt wird.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasverteilungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher sich eine hohe Leistung bezüglich der elektrochemischen Umsetzung und eine hohe Betriebsdauer erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verteileinrichtung und die Sammeleinrichtung so ausgebildet sind, dass ihre Funktionsweise bezüglich Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung und Abführung von Fluid von der Kanaleinrichtung umschaltbar vertauschbar ist und dass die Zuführungsrichtung für Reaktionsgas und Abführungsrichtung für Fluid bezogen auf einen Kanal durch die Steuerungsvorrichtung zeitlich gesteuert wechselbar ist.
Erfindungsgemäß ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher der Kanaleinrichtung Reaktionsgas zeitlich gesteuert zuführbar ist und/oder unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte zeitlich gesteuert abführbar sind. Insbesondere lässt sich dann Reaktionsgas zeitlich getaktet zuführen. Über eine solche zeitliche Steuerung der Zuführung von Reaktionsgas und der Abführung von Fluid lässt sich die Reaktionsgasversorgung des elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode verbessern, der Wassertransport aus der Porenstruktur der Elektrode und insbesondere aus ihrer Gasdiffusionsschicht verbessern und die Homogenität des Wasserhaushalts der Membran verbessern. Insgesamt wird bei entsprechender Steuerung dann die Homogenität der Stromdichteverteilung im zeitlichen Mittel weiter verbessert. Über eine solche zeitliche Steuerung ist es möglich, die Strömungsrichtung in den einzelnen Kanälen der Kanaleinrichtung zeitlich getaktet umzukehren, indem die Rolle von der Verteileinrichtung und einer entsprechenden Sammeleinrichtung zeitlich getaktet vertauscht wird. Diese Lösung ist auch einsetzbar, wenn die Kanaleinrichtung nur räumlich unidirektional angeströmt wird. Über den zeitlichen Wechsel zwischen Zuführungsrichtung und Abführungsrichtung wird dann im zeitlichen Mittel eine bidirektionale Anströmung erreicht. Durch eine entsprechende zeitlich getaktete Vertauschung können dann die oben geschilderten Vorteile erreicht werden.
Die Verteileinrichtung und die Sammeleinrichtung sind so ausgebildet, dass ihre Funktionsweisen bezüglich Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung und Abführung von Fluid von der Kanaleinrichtung umschaltbar vertauschbar sind. Zu einem bestimmten Zeitpunkt lässt sich dann über die Verteileinrichtung Reaktionsgas zuführen und über die Sammeleinrichtung Fluid abführen. Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Funktionsweisen vertauscht, d. h. über die Sammeleinrichtung wird Reaktionsgas zugeführt und über die Verteileinrichtung unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte abgeführt. Bei entsprechender getakteter Steuerung lässt sich damit im zeitlichen Mittel eine Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen realisieren.
Insbesondere ist die Verteileinrichtung so ausgebildet, dass in die Kanaleinrichtung Reaktionsgas in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen einkoppelbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kanaleinrichtung und damit auch der elektrochemisch aktive Bereich mindestens bidirektional angeströmt wird, um so eine gleichmäßige Beaufschlagung des elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode mit Reaktionsgas zu erreichen und über die Fläche Stromdichten mit verringerter Inhomogenität zu erhalten.
Messungen mit Hilfe eines Gasverteilungselements zur Reaktionsgaszuführung, wie es in der nicht vorveröffentlichten DE 101 51 601 A1 beschrieben ist, haben gezeigt, dass sich starke Inhomogenitäten in der lokalen Stromdichteverteilung auf einer Elektrode ergeben haben, wenn die Elektrode nur einseitig angeströmt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Entfeuchtungswirkung und Befeuchtungswirkung der Reaktionsgase entlang des Strömungswegs über die elektrochemisch aktive Fläche einer Elektrode nicht konstant gehalten werden kann. Ist das Reaktionsgas am Eintritt unbefeuchtet, dann trocknet die Membran, mit welcher die Elektrode verbunden ist, im Anströmbereich aus; ist dagegen das Reaktionsgas am Eintritt befeuchtet, dann wird das Porensystem der Elektrode und insbesondere deren Gasdiffusionsschicht im Abströmbereich geflutet, wodurch im Abströmbereich der Reaktionsgastransport zum elektrochemisch aktiven Bereich der Elektrode (von der Gasdiffusionsschicht her) verschlechtert oder unter ungünstigen Umständen auch vollständig verhindert wird. Durch die erfindungsgemäße bidirektionale Anströmung läßt sich der Wasserhaushalt homogenisieren, da der elektrochemisch aktive Bereich von mindestens zwei Seiten her angeströmt wird und von jeder dieser Seiten dann auch unverbrauchtes Reaktionsgas und Wasser als Reaktionsprodukt abtransportiert wird.
Durch entsprechende Verbesserung der Homogenität in der Stromdichteverteilung wird sowohl die Zelleistung einer Brennstoffzelle, in welcher die entsprechende Elektrode mit der zugeordneten Gasverteilungsvorrichtung integriert ist, erhöht als auch die Lebensdauer einer solchen Zelle (über die Erhöhung der Lebensdauer der Elektroden-Membran-Einheit) erhöht.
Auch hat es sich gezeigt, daß durch die mindestens bidirektionale Anströmung einem Abreicherungseffekt von Sauerstoff, wenn einer Kathode Luft als Oxidans zugeführt wird, entgegengewirkt wird, da aufgrund der bidirektionalen Anströmung im Mittel über die Fläche der Elektrode die räumlichen Gradienten bezüglich der Reaktionsgaszuführung verringert werden und damit eben dem Abreicherungseffekt entgegengewirkt wird.
Durch die mindestens bidirektionale Einkopplung bzw. Anströmung der Kanaleinrichtung lassen sich homogenisierte Stromdichteverteilungen auf der Elektrode erhalten, welche im wesentlichen unabhängig sind von der Struktur und der Form der Kanäle der entsprechenden Kanaleinrichtung selber. Bei den Kanälen der Kanaleinrichtung, welche zur Reaktionsgasbeaufschlagung des elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode und zur Abführung von Fluid dienen, kann es sich beispielsweise um gerade Kanäle handeln, mäanderförmige Kanäle, labyrinthförmige Kanäle, Netz- oder Gitterstrukturen oder Porenstrukturen. Insbesondere sind dabei Kanäle, in welche in unterschiedliche Richtungen eingekoppelt wird, als unterschiedliche Strömungswege ausgebildet, d. h. bilden bezüglich der Einkopplungsrichtung getrennte Strömungswege, die nur über die Gasdiffusionsschicht der Elektrode miteinander in Verbindung stehen, wobei ihr Kanalquerschnitt wesentlich größer ist als der Porendurchmesser in dieser Schicht.
Die mindestens bidirektionale Anströmung kann dabei durch eine entsprechende geometrische (räumliche) Ausbildung der Verteileinrichtung realisiert sein oder zusätzlich oder alternativ über eine zeitliche Steuerung der Zuführung von Reaktionsgas und Abführung von Reaktionsgas, welches nicht verbraucht wurde, und Reaktionsprodukten. Im letzteren Fall wird die mindestens bidirektionale Anströmung im zeitlichen Mittel erreicht, während sie bei der geometrischen Realisierung zu jedem Zeitpunkt erreichbar ist.
Vorteilhafterweise ist die Verteileinrichtung so ausgebildet, daß in die Kanaleinrichtung von unterschiedlichen Seiten der Kanaleinrichtung her Reaktionsgas einkoppelbar ist. Bei entsprechender Ausbildung der Kanäle der Kanaleinrichtung läßt sich dann ein Teil des Reaktionsgases in dieser in Gegenrichtung relativ zu der Zuführung eines anderen Teils des Reaktionsgases führen, um so eine hohe Homogenität bezüglich der Stromdichteverteilung auf der Elektrode zu erreichen.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Verteileinrichtung so ausgebildet ist, daß in die Kanaleinrichtung von gegenüberliegenden Seiten her Reaktionsgas einkoppelbar ist, um so eine bidirektionale Strömungsführung zu erreichen. Eine solche Gasverteilungsvorrichtung läßt sich dabei insbesondere plattenförmig ausgestalten, beispielsweise als Kontaktplatte oder Bipolarplatte zwischen benachbarten Elektroden-Membran-Einheiten, wobei sich die Kanaleinrichtung in ihren äußeren Abmessungen rechteckförmig ausgestalten läßt. Üblicherweise verwendete Kanaleinrichtungen sind eben in ihren Außenabmessungen rechteckförmig, wie beispielsweise Strukturen mit geraden Kanälen, Mäanderstrukturen, Labyrinthstrukturen oder Fingerstrukturen.
Weiterhin ist dann die Verteileinrichtung so ausgebildet, daß in die Kanaleinrichtung Reaktionsgas in im wesentlichen entgegengesetzten Strömungsrichtungen einkoppelbar ist. Es läßt sich dann auf konstruktiv und fertigungstechnisch einfache Weise, nämlich über eine Verteileinrichtung mit gegenüberliegenden Verteilerkanälen, über die in die Kanaleinrichtung, welche zwischen den Verteilerkanälen liegt, Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung einkoppeln und dabei eine bidirektionale Strömungsführung erreichen.
Um eine weitgehend homogene Stromdichteverteilung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Verteileinrichtung so ausgebildet ist, daß der Kanaleinrichtung im wesentlichen symmetrisch zu einer Achse der Kanaleinrichtung Reaktionsgas zuführbar ist, um wiederum den elektrochemisch aktiven Bereich der Elektrode auf möglichst symmetrische Weise (auch bezüglich der Richtungsführung des Reaktionsgases) mit Reaktionsgas beaufschlagen zu können. Es ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn eine Symmetrieachse eine Mittelachse der Kanaleinrichtung und/oder eine Diagonalachse der Kanaleinrichtung ist, um eben so einen hohen Homogenisierungsgrad zu erreichen bzw. die Gradienten in der Reaktionsgasverteilung bei der Zuführung zu minimieren.
Bei einer konstruktiv einfachen Variante einer Ausführungsform umfaßt die Verteileinrichtung mindestens zwei beabstandete Verteiler, über die Reaktionsgas in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen in die Kanaleinrichtung eingekoppelt ist. Vorteilhafterweise liegt dabei die Kanaleinrichtung zwischen den zwei beabstandeten Verteilern, so daß linksseitig und rechtsseitig der Kanaleinrichtung Reaktionsgas zuführbar ist. Es hat sich gezeigt, daß so weitgehend unabhängig von der Struktur der Kanaleinrichtung selber sich ein hoher Homogenisierungsgrad in der Stromdichteverteilung erreichen läßt und somit wiederum eine hohe reproduzierbare Zelleistung mit hoher Lebensdauer einer Elektroden-Membran-Einheit im Falle einer entsprechenden Brennstoffzelle.
Insbesondere sind dabei die Verteiler als Verteilerkanäle ausgebildet, von welchen dann entsprechende Kanäle der Kanaleinrichtung abzweigen und über die Abzweigung dann Reaktionsgas aus den Verteilerkanälen in die Kanaleinrichtung eingekoppelt wird.
Ganz besonders günstig ist es, wenn die Kanaleinrichtung mindestens einen ersten Kanalbereich und einen zweiten Kanalbereich umfaßt, in welche Reaktionsgas in relativ zueinander unterschiedlichen Strömungsrichtungen einkoppelbar ist. Es ist dann auch günstig, wenn bezüglich der Auskopplung von Reaktionsgas und Reaktionsprodukten aus dem ersten und zweiten Kanalbereich die entsprechenden Strömungsrichtungen für die Auskopplung entgegengesetzt sind.
Um einen hohen Homogenitätsgrad zu erreichen, sind dabei der erste Kanalbereich und der zweite Kanalbereich vorteilhafterweise so ausgebildet, daß Reaktionsgas durch diese in relativ zueinander entgegengesetztem Windungssinn oder im wesentlichen entgegengesetzten Richtungen durchströmbar ist. Bei einer Labyrinthstruktur (Spiralstruktur) von Kanälen der Kanaleinrichtung sollte sich also der Windungssinn der Durchströmung zwischen dem ersten Kanalbereich und dem zweiten Kanalbereich unterscheiden und beispielsweise bei geradliniger Kanalführung oder mäanderförmiger Kanalführung sollten die Führungsrichtungen in parallelen Kanälen des ersten Kanalbereichs und des zweiten Kanalbereichs entgegengesetzt sein.
Insbesondere sind dabei der erste Kanalbereich und der zweite Kanalbereich als getrennte Strömungswege ausgebildet, d. h. das in den ersten Kanalbereich eingekoppelte Reaktionsgas und das in den zweiten Kanalbereich eingekoppelte Reaktionsgas sind getrennt geführt und kommen nicht in Kontakt innerhalb der Kanaleinrichtung. Es kann dabei vorgesehen sein, daß der erste Kanalbereich und der zweite Kanalbereich innerhalb eines gleichen äußeren Flächenbereichs liegen, indem beispielsweise die Kanäle in beiden Kanalbereichen mäanderförmig geführt sind und dabei insbesondere beispielsweise so parallel geführt sind, daß diese innerhalb des gleichen Flächenbereichs liegen. Es läßt sich dann eine hohe Flächenzuführungsrate für das Reaktionsgas zu der Elektrode erreichen. (Bei nicht-gewinkelten Kanälen können der erste Kanalbereich und der zweite Kanalbereich unterschiedliche Flächenbereiche umfassen.)
Insbesondere ist dabei ein Kanalbereich so ausgebildet, daß der elektrochemisch aktive Bereich der Elektrode flächig mit Reaktionsgas beaufschlagbar ist, um eben eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung der Elektrode zu erreichen.
Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Kanaleinrichtung einen oder mehrere erste Kanalbereiche und/oder einen oder mehrere zweite Kanalbereiche in alternierender oder verschachtelter Anordnung umfaßt. Beispielsweise kann es sich um eine spaltenweise und/oder zeilenweise Anordnung handeln, bei der ein erster Kanalbereich und ein zweiter Kanalbereich einen gleichen Flächenbereich einnehmen oder bei der zwei getrennte Flächenbereiche zeilenweise oder spaltenweise aufeinanderfolgen.
Die Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung und Abführung von Fluid lässt sich insbesondere dadurch über die Steuerungsvorrichtung steuern, dass ein Ventil wie beispielsweise ein Magnetventil für die Reaktionsgaszuführung und/oder Fluidabführung zeitlich steuerbar ist.
Vorteilhafterweise ist dann die Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung und/oder Auskopplung von Fluid aus der Kanaleinrichtung für jede Strömungsrichtung zeitlich steuerbar und insbesondere aufeinander abgestimmt steuerbar, um so eine optimierte homogene Stromdichteverteilung zu erhalten.
Weiter ist es günstig, wenn eine Sperrvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Abführung von Reaktionsgas und Reaktionsprodukten von der Gasverteilungsvorrichtung zeitlich gesteuert sperrbar ist. Insbesondere in der Gasdiffusionsschicht oder weiteren porösen Schichten der Elektrode können sich grundsätzlich Wasserpfropfen bilden, vor allem dann, wenn das Reaktionsgas zur Befeuchtung der Membran angefeuchtet wird. Diese Wasserpfropfen können aber bereits dadurch entstehen, daß infolge der elektrochemischen Reaktion Wasser als Reaktionsprodukt gebildet wird. Bei Sperrung der Abführung wird eine zwangsweise Durchströmung einer solchen porösen Schicht der Elektrode erreicht, wodurch wiederum Wasserpfropfen entfernbar sind. Über eine solche steuerbare Sperrvorrichtung läßt sich also eine optimale Funktionsweise der Elektrode einstellen. Die Sperrvorrichtung kann dabei extern beispielsweise in festgelegten zeitlichen Abständen gesteuert betätigt werden oder sie kann intern gesteuert werden, indem beispielsweise über einen Sensor eine Pfropfenbildung detektiert wird und bei entsprechendem Detektionsergebnis ein Entfeuchtungsvorgang mit der Sperrvorrichtung eingeleitet wird.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen zur Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung über die Verteileinrichtung durch eine entsprechende geometrische Ausbildung der Verteileinrichtung realisiert wird und/oder durch entsprechende zeitliche Steuerung der Umschaltung der Zuführung und Abführung. Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn eine Sammeleinrichtung zur Abführung von Reaktionsgas und Reaktionsprodukten von der Kanaleinrichtung vorgesehen ist. Diese Sammeleinrichtung steht dann in fluidwirksamer Verbindung mit der Verteileinrichtung und ist dieser zugeordnet. Über sie wird damit Fluid, nämlich unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukt (insbesondere Wasser), aus der Kanaleinrichtung abgeführt.
Insbesondere ist dabei die Sammeleinrichtung so ausgebildet, dass aus der Kanaleinrichtung Fluid aus mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen auskoppelbar ist. Dies lässt sich wiederum durch eine geometrische Realisierung oder mittels einer entsprechenden zeitlichen Steuerung der Zuführung und Abführung erreichen. Umfasst beispielsweise die Verteileinrichtung eine Mehrzahl von gegenüberliegenden Verteilerkanälen, dann ist jedem Verteilerkanal ein entsprechender, gegenüberliegender Sammelkanal zugeordnet, über den sich (unverbrauchtes) Reaktionsgas (und Reaktionsprodukte) aus der Kanaleinrichtung auskoppeln lässt, welches über den zugeordneten Verteilerkanal in die Kanaleinrichtung eingekoppelt wurde.
Bei einer fertigungstechnisch günstigen Ausführungsform umfasst die Verteileinrichtung eine Mehrzahl von Verteilerkanälen, die Sammeleinrichtung eine Mehrzahl von Sammelkanälen, und ein Sammelkanal steht mit einem zugeordneten Verteilerkanal jeweils über die Kanaleinrichtung in fluidwirksamer Verbindung. Auf diese Weise lässt sich eine mindestens bidirektionale Anströmung des elektrochemisch aktiven Bereichs einer Elektrode geometrisch-räumlich realisieren, indem eben über die Mehrzahl von Verteilerkanälen Reaktionsgas mindestens bidirektional der Kanaleinrichtung zuführbar ist (und über die Sammelkanäle entsprechend mindestens bidirektional von der Kanaleinrichtung abführbar ist).
Es kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von getrennten Kanaleinrichtungssegmenten vorhanden sind, wobei in jedes Segment Reaktionsgas in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen einkoppelbar ist. Es ist dann möglich, dass in ein Segment ein erster Kanalbereich und ein zweiter Kanalbereich integriert ist, oder dass benachbarte Segmente einen ersten Kanalbereich und einen zweiten Kanalbereich bilden.
Es ist grundsätzlich möglich, dass die Gasverteilungsvorrichtung ein von der elektrochemischen Elektrode getrenntes Bauteil ist, welches dann mit der Elektrode zu verbinden ist. Beispielsweise ist dann die Gasverteilungsvorrichtung als Kontaktplatte oder Bipolarplatte ausgebildet.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Gasverteilungsvorrichtung in die elektrochemische Elektrode integriert ist, wie es in der nicht vorveröffentlichten DE 101 58 848 A1 beschrieben ist. Auf dieses Dokument wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Verteileinrichtung und die Kanaleinrichtung so ausgebildet sind, dass der elektrochemisch aktive Bereich der Elektrode mehrseitig anströmbar ist. Es lässt sich dann der Abreicherungseffekt verringern und eine hohe Gleichmäßigkeit bezüglich der Anströmung erreichen, was wiederum zu einer Erhöhung der Homogenität der Stromdichteverteilung führt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein oder mehrere Anströmbereiche und ein oder mehrere Abströmbereiche der Kanaleinrichtung auf der gleichen Seite der Kanaleinrichtung angeordnet sind. Insbesondere lässt sich auf diese Weise eine Art von Gegenstromführung bezüglich der Einkopplung und Auskopplung der Strömung in die bzw. aus der Kanaleinrichtung erreichen. Damit lässt sich eine hohe Homogenität der Anströmung der Elektrode erreichen und der Abreicherungseffekt lässt sich verringern.
Vorteilhafterweise sind dabei insbesondere längs eines Verteilers der Verteileinrichtung Anströmbereiche und Abströmbereiche alternierend und/oder benachbart angeordnet. Durch eine benachbarte Anordnung von Anströmbereichen und Abströmbereichen lassen sich die Unterschiede in der Stromdichteverteilung eben bezüglich den Anströmbereichen und Abströmbereichen bei der nur einseitigen Anströmung ausgleichen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, dass sich eine hohe Zelleistung bei hoher Lebensdauer erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der elektrochemisch aktive Bereich bezogen auf die Zuführung und Abführung von Reaktionsgas von gegenüberliegenden Seiten her angeströmt wird und dass die Zuführungsrichtung für Reaktionsgas und Abführungsrichtung für Fluid bezogen auf einen Kanal zeitlich gesteuert gewechselt wird.
Dieses Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Die Anströmung des elektrochemisch aktiven Bereichs bezogen auf die Zuführung und Abführung lässt sich über eine entsprechend angepasste Ausbildung einer Verteileinrichtung zur Zuführung von Reaktionsgas zum elektrochemisch aktiven Bereich und einer Sammeleinrichtung zur Abführung von unverbrauchtem Reaktionsgas und Reaktionsprodukten vom elektrochemisch aktiven Bereich realisieren. Diese angepasste Ausbildung kann dabei derart sein, dass die Anströmung von gegenüberliegenden Seiten her über eine räumliche Ausbildung der Verteileinrichtung und Sammeleinrichtung hergestellt wird, so dass insbesondere zu jedem Zeitpunkt die Zuführung und Abführung von gegenüberliegenden Seiten her vorliegt. Erfindungsgemäß ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass die Zuführung und Abführung von gegenüberliegenden Seiten her im zeitlichen Mittel erfolgt, indem zeitlich getaktet Zuführung und Abführung vertauscht wird, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt Reaktionsgas in einem bestimmten Kanal in einer Strömungsrichtung strömt, während zu einem späteren Zeitpunkt die Strömungsrichtung umgekehrt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Reaktionsgas von mindestens zwei Richtungen her in die Kanäle eingekoppelt wird und/oder Fluid aus den Kanälen abgeführt wird, um so eine hohe Homogenität in der Stromdichteverteilung zu erreichen.
Vorteilhafterweise wird das Reaktionsgas in den Kanälen für unterschiedliche Einkopplungsrichtungen in getrennten Strömungswegen geführt, um entsprechend die Unterschiede in der lokalen Stromdichteverteilung an einem Anströmbereich und einem Abströmbereich zu verringern.
Weiterhin ist es günstig, wenn Reaktionsgas mindestens in einen ersten Kanalbereich und einen zweiten Kanalbereich in unterschiedlichen Strömungsrichtungen eingekoppelt wird, wobei der erste Kanalbereich und der zweite Kanalbereich relativ zueinander mit unterschiedlichem Windungssinn oder in unterschiedlichen Strömungsrichtungen durchströmt wird.
Es ist vorgesehen, dass Reaktionsgas zeitlich gesteuert zugeführt wird und/oder Fluid zeitlich gesteuert abgeführt wird.
Durch eine solche zeitliche Steuerung ist es möglich, den Abfluss von Reaktionsgas und/oder Reaktionsprodukten zeitlich gesteuert zu sperren, um in porösen Schichten der Elektrode mittels einer zwangsweisen Durchströmung Wasserpfropfen zu lösen.
Es ist vorgesehen, dass die Zuführungsrichtung für Reaktionsgas und Abführungsrichtung für Fluid bezogen auf einen Kanal zeitlich gesteuert gewechselt wird. Dies lässt sich beispielsweise dazu nutzen, um über den Wasseraustrag aus der Kanaleinrichtung zugeführtes Reaktionsgas zu befeuchten, da eben Zuführungsrichtung und Abführungsrichtung ständig gewechselt werden.
Wird dann die Funktion einer Verteileinrichtung zur Zuführung von Reaktionsgas in die Kanäle und einer Sammeleinrichtung zur Abführung von Fluid von den Kanälen zeitlich gesteuert vertauscht, dann läßt sich im zeitlichen Mittel eine mindestens bidirektionale Anströmung des elektrochemisch aktiven Bereichs erreichen.
Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anströmung von unterschiedlicher Seite her durch eine räumliche Ausbildung einer Gasverteilungsvorrichtung und/oder durch zeitliche Steuerung der Zuführung und Abführung erreicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer Elektroden-Membran-Einheit mit Gasverteilungsvorrichtungen;
2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasverteilungsvorrichtung mit der einer elektrochemischen Elektrode zugewandten Seite;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasverteilungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Segmenten;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasverteilungsvorrichtung mit einer Beschaltungsanordnung und
5 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 4, bei der die Fluideinkopplung und Auskopplung zeitlich gesteuert vertauschbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Elektroden-Membran-Einheit, welche beispielsweise in einer Brennstoffzelle eingesetzt ist, umfaßt, wie in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet, eine protonenleitende Elektrolyt-Membran (PEM) 12. Mit den gegenüberliegenden Deckflächen dieser Membran 12 ist jeweils eine elektrochemische Elektrode verbunden, nämlich mit der einen Deckfläche eine Kathode 14 und mit der anderen Deckfläche eine Anode 16. Die Membran 12 ist gasdicht und sorgt für die räumliche Trennung von Kathode 14 und Anode 16.
Der Kathode 16 wird bei der Polymermembran-Brennstoffzelle (PEFC) als Oxidans-Reaktionsgas Sauerstoff oder Luft zugeführt und der Anode 16 wird Wasserstoff als Brennstoff-Reaktionsgas zugeführt. An der Anode 16 wird das Brenngas oxidiert und es entstehen dabei Protonen, die durch die Elektrolyt-Membran 12 zur Kathode 14 wandern. An der Kathode 14 wird Sauerstoff unter Aufnahme von Elektronen reduziert und Wasser entsteht als Reaktionsprodukt. Es läßt sich dann chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln, die über einen äußeren Stromkreis (in der Zeichnung nicht gezeigt) abgreifbar ist.
Die elektrochemischen Elektroden 14, 16 weisen in Membrannähe jeweils eine poröse katalytische Schicht auf, auf der eine poröse, nicht katalytisch wirksame Gasdiffusionsschicht sitzt (in der Zeichnung nicht gezeigt), so daß eine Zufuhr des jeweiligen Reaktionsgases zu dem jeweiligen elektrochemisch aktiven Bereich der elektrochemischen Elektrode 14, 16 möglich ist.
Zur Beaufschlagung der Kathode 14 bzw. Anode 16 ist jeweils eine Gasverteilungsvorrichtung 18 bzw. 20 vorgesehen, mittels welcher eben das entsprechende Reaktionsgas der zugeordneten elektrochemischen Elektrode zuführbar ist und das Reaktionsprodukt abführbar ist.
Im allgemeinen werden die Reaktionsgase befeuchtet zugeführt, um eine Austrocknung der Membran 12 zu verhindern und damit für eine gute Ionenleitung zu sorgen. Die Gasverteilungsvorrichtungen 18 und 20 dienen auch dazu, Reaktionswasser abzuführen.
Die Elektroden-Membran-Einheit 10 mit den Gasverteilungsvorrichtung 18 und 20 bildet eine Einzelzelle für ein Brennstoffzellen-Stack.
Eine Gasverteilungsvorrichtung 18, 20 kann als von der Elektroden-Membran-Einheit 10 getrenntes Bauteil ausgebildet sein, welches dann entsprechend mit dieser zu verbinden ist. Sie kann dann insbesondere als Bipolarplatte ausgebildet sein, die benachbarte Elektroden-Membran-Einheiten 10 insbesondere in einer Brennstoffzelle miteinander verbindet. Sie kann dann auch als Kühlplatte ausgebildet sein, mit der eine Kühlung durchführbar ist.
Es ist aber auch möglich, die Gasverteilungsvorrichtung 18 bzw. 20 in die zugeordnete elektrochemische Elektrode 14 bzw. 16 zu integrieren. Eine solche elektrochemische Elektrode mit integrierter Verteilerstruktur ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 101 58 848 A1 vom 27. November 2001 des gleichen Anmelders offenbart. Auf diese Anmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß mehrseitig und insbesondere bidirektional über die Gasverteilungsvorrichtung 18 bzw. 20 der zugeordneten Elektrode 14 bzw. 16 Reaktionsgas zugeführt wird.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasverteilungsvorrichtung, welches in 2 als Ganzes mit 22 bezeichnet ist, umfaßt eine Grundplatte 24, welche beispielsweise rechteckförmig ausgebildet ist. In dieser Grundplatte 24 ist der zugeordneten Elektrode zugewandt eine Kanaleinrichtung 26 gebildet, über welche die Elektrode direkt mit Reaktionsgas beaufschlagbar ist. In die Kanaleinrichtung 26 selber läßt sich das Reaktionsgas über eine als Ganzes mit 28 bezeichnete Verteileinrichtung einkoppeln. Diese verteilt Reaktionsgas in Kanäle der Kanaleinrichtung 26.
Bei der Ausbildung der Gasverteilungsvorrichtung 22 als Bipolarplatte sind auf beiden Seiten der Grundplatte 24 entsprechende getrennte Kanaleinrichtungen gebildet, wobei über die eine Kanaleinrichtung einer Kathode 14 ein Oxidans zuführbar ist und über die andere Kanaleinrichtung einer Anode 16 Brennstoff zuführbar ist. Die beiden Kanaleinrichtungen können gleich ausgebildet sein oder auch insbesondere bezüglich der Kanalführung verschieden ausgebildet sein.
Die Verteileinrichtung 28 umfaßt gegenüberliegende Verteiler 30, 32, welche insbesondere als Verteilerkanäle ausgebildet sind, die mit einer Reaktionsgasquelle 34 (4) in Verbindung stehen, wobei die beiden Verteiler 30, 32 mit dem gleichen Reaktionsgas versorgt werden und insbesondere mit der gleichen Reaktionsgasquelle 34 verbunden sind.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Verteiler 30, 32 parallel beabstandete geradlinige Kanäle. Die jeweilige Ankopplung des Verteilers 30 bzw. 32 an die Reaktionsgasquelle 34 erfolgt über einen zugeordneten Hauptkanal 36 bzw. 38 für das Reaktionsgas.
Zwischen den Verteilern 30, 32 liegt die Kanaleinrichtung 26, mittels welcher ein elektrochemisch aktiver Bereich der zugeordneten elektrochemischen Elektrode flächig mit dem jeweiligen Reaktionsgas (entweder Oxidans oder Brenngas) versorgbar ist. Dabei ist über die beiden Verteiler 30, 32 das Reaktionsgas mehrseitig in die Kanaleinrichtung 26 einkoppelbar, d. h. das Reaktionsgas ist jeweils von der dem Verteiler 30 und dem Verteiler 32 zugewandten Seite der Kanaleinrichtung 26 her über die Verteileinrichtung 28 in die Kanaleinrichtung 26 einkoppelbar. Die Einströmung des Reaktionsgases in die Kanaleinrichtung 26 ist also mindestens bidirektional, wobei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die entsprechenden Einkopplungsströmungsrichtungen entgegengesetzt sind und beispielsweise auch im wesentlichen senkrecht zu den Verteilerkanälen 30, 32 liegen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, daß bei entsprechender Ausbildung der Verteileinrichtung 28 abgestimmt auf die Kanaleinrichtung 26 auch das Reaktionsgas von mehr als zwei Seiten her in die Kanaleinrichtung 26 einkoppelbar ist.
Die Kanaleinrichtung 26 umfaßt Kanalbereiche, welche sich in der Einkopplungsrichtung des Strömungsgases unterscheiden. In einen ersten Kanalbereich 40, welcher mäanderförmig ausgebildete Kanäle umfaßt, läßt sich das Reaktionsgas von dem Verteiler 30 in einer Strömungsrichtung dem anderen Verteiler 32 zugewandt einkoppeln. Ein Anströmbereich 42 dieses ersten Kanalbereichs 40 liegt also an derjenigen Seite der Kanaleinrichtung 26, welche dem Verteiler 30 zugewandt ist.
Ein Abströmbereich 44 dieses ersten Kanalbereichs 40, über den Reaktionsgas aus der Kanaleinrichtung 26 abführbar ist, liegt im Bereich derjenigen Seite der Kanaleinrichtung 26, welche dem Verteiler 32 zugewandt ist.
Für einen zweiten Kanalbereich 46 sind die Verhältnisse umgedreht: Dieser zweite Kanalbereich 46 wird über den Verteiler 32 mit Reaktionsgas versorgt und ein Anströmbereich 48 ist dem Verteilerkanal 32 zugewandt, während ein Abströmbereich 50 dem Verteilerkanal 30 zugewandt ist. Die Einströmrichtung des Reaktionsgases in den ersten Kanalbereich 40 ist damit der Abströmrichtung des Reaktionsgases aus dem zweiten Kanalbereich 46 entgegengesetzt, und umgekehrt ist die Einströmrichtung des Reaktionsgases in den zweiten Kanalbereich 46 der Abströmrichtung des Reaktionsgases aus dem ersten Kanalbereich 40 entgegengesetzt.
Es kann dabei noch vorgesehen sein, daß die einem Verteiler 30 zugewandten Anströmbereiche und Abströmbereiche, beispielsweise der Anströmbereich 42 und der Abströmbereich 50 bzw. der Anströmbereich 48 und der Abströmbereich 44 benachbart sind und insbesondere in unmittelbarer Nähe liegen; die hierzu vorgesehenen Kanäle 52 der Kanaleinrichtung 26 sind dabei ebenfalls benachbart.
Um eine flächige Reaktionsgasbeaufschlagung des elektrochemisch aktiven Bereichs der zugeordneten Elektrode zu erhalten, d. h. um eine entsprechende große Fläche mit Kanälen 52 der Kanaleinrichtung 26 bedecken zu können, ist es insbesondere vorgesehen, daß eine Mehrzahl von ersten Kanalbereichen 40 und eine entsprechende Mehrzahl von zweiten Kanalbereichen 46 vorgesehen ist. Insbesondere sind diese derart alternierend bzw. benachbart angeordnet, daß längs eines Verteilers 30 bzw. 32 Anströmbereiche und Abströmbereiche benachbart alternierend aufeinanderfolgen, wie beispielsweise der Anströmbereich 42 und der Abströmbereich 50 an der dem Verteiler 30 zugewandten Seite der Kanaleinrichtung 26 oder der Abströmbereich 44 und der Anströmbereich 48 an der dem Verteiler 32 zugewandten Seite der Kanaleinrichtung 26.
Die Verteileinrichtung 28 hat dann an ihren Verteilerkanälen 30, 32 eine Mehrzahl von Einkopplungsstellen 54 zur Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung 26, wobei diese Einkopplungsstellen 54 beabstandet zueinander sind. Entsprechend ist dem Verteiler 30 zugewandt ebenfalls eine Mehrzahl von Einkopplungsstellen 56 beabstandet angeordnet.
Zur Auskopplung von – nicht verbrauchtem – Reaktionsgas und vom Reaktionsprodukt sind dem Verteiler 32 zugewandt Auskopplungsstellen 58 und dem Verteiler 30 zugewandt Auskopplungsstellen 60 als Teil einer Sammeleinrichtung 59 vorgesehen. Wie erwähnt, alternieren Einkopplungsstellen und Auskopplungsstellen längs des jeweiligen Verteilers 30 bzw. 32.
Ein den jeweiligen Auskopplungsstellen 58 bzw. 60 zugeordneter Sammler der Sammeleinrichtung 59, welcher insbesondere jeweils als Sammlerkanal ausgebildet ist, ist innerhalb der Grundplatte 24 oder auf der der Kanaleinrichtung 26 abgewandten Seite der Grundplatte 24 angeordnet und in der 2 nicht gezeigt.
Es kann grundsätzlich auch vorgesehen sein, wie in 3 gezeigt, daß auf einer Grundplatte 62 eine Kanaleinrichtung 64 gebildet ist, welche eine Mehrzahl von getrennten Segmenten 66a, 66b usw. aufweist, welche zeilenweise und/oder spaltenweise angeordnet sind. In jedes solches Segment 66a, 66b usw. ist über eine entsprechende Verteileinrichtung 68 Reaktionsgas bidirektional einkoppelbar, d. h. von gegenüberliegenden Seiten des Kanaleinrichtungsbereichs des jeweiligen Segmentes 66a, 66b usw. in das Segment einkoppelbar, so daß das Segment bidirektional anströmbar ist.
Die Kanaleinrichtung 26 in 2 stellt einen Sonderfall einer solchen segmentweisen Aufteilung dar, bei welcher die Segmente in einer Spalte angeordnet sind, wobei benachbarte erste Kanalbereiche 40 und zweite Kanalbereiche 46 ineinander zur Bildung eines Segments verschachtelt sind.
Die Kanaleinrichtung 26 ist bezüglich der Verteileinrichtung 28 und insbesondere deren Verteiler 30 und 32 so angeordnet und ausgebildet, daß die bidirektionale Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung 26 im wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelachse der Kanaleinrichtung 26 erfolgt und dabei insbesondere im wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelachse 70 parallel zwischen den beiden Verteilern 30 und 32 und im wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelachse 72 im wesentlichen senkrecht zu den beiden Verteilern 30 und 32.
Es kann auch noch alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, daß die Einkopplung im wesentlichen symmetrisch zu einer Diagonalenrichtung der Kanaleinrichtung 26 erfolgt. (In 2 entspricht dies einer 45° Richtung jeweils zu der Mittelachse 70 oder 72.)
Die erfindungsgemäße Gasverteilungsvorrichtung 22 funktioniert wie folgt:
Messungen der Stromdichteverteilung in einzelnen Brennstoffzellen mit Gasverteilungselementen, wie sie in der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung Nr. DE 101 51 601 A1 vom 15. Oktober 2001 des gleichen Anmelders beschrieben sind und auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird haben ergeben, daß bei aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen Gasverteilungsvorrichtungen inhomogene Verteilungen der Stromdichte auftreten. Solche Inhomogenitäten reduzieren die Zelleistung und auch die Lebensdauer einer Elektroden-Membran-Einheit.
Es hat sich dabei insbesondere gezeigt, daß sich starke Unterschiede in den lokalen Stromdichten zwischen dem Anströmbereich des Reaktionsgases und dem Abströmbereich des Reaktionsgases ergeben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei einer konventionellen einseitigen Anströmung einer Kanaleinrichtung aufgrund der auf die Gesamtfläche des elektrochemisch aktiven Bereichs ungleichmäßigen Anströmung dieses elektrochemisch aktiven Bereichs der Wasserhaushalt in der Zelle nicht homogen ist. Werden die Reaktionsgase im Anströmbereich befeuchtet, um eine Austrocknung der Membran 12 zu verhindern, dann resultiert dies in einer Verschlechterung des Reaktionsgastransportes im Abströmbereich, da die Porensysteme der porösen Schicht der Elektrode geflutet werden.
Bei dem Betreiben der Zelle mit Luft als Reaktionsgas wurde auch ein Abreicherungseffekt von Sauerstoff längs des Strömungsweges festgestellt. Auch können sich Wasserpfropfen in Kanälen der konventionell ausgebildeten Gasverteilungsvorrichtung bilden, die nur schwer zu entfernen sind.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, daß die Kanaleinrichtung 26 mindestens bidirektional angeströmt wird, um so eine homogenere Stromdichteverteilung auf der Elektrode zu erhalten und damit die Zelleistung auf hohem Niveau zu sichern und die Lebensdauer der Elektroden-Membran-Einheit 10 zu erhöhen.
Insbesondere bei einer symmetrischen Anströmung zu einer Mittelachse 70 und/oder 72 läßt sich die Anströmung des elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode gleichmäßiger gestalten. Durch die benachbarte Anordnung von Anströmbereichen 42, 48 und Abströmbereichen 44, 50 erhält man eine homogenere Steuerung des Wasserhaushalts und der Abreicherungseffekt bezüglich Sauerstoffs längs dessen Strömungswegs wird zumindest reduziert.
Durch mehrseitiges Anströmen, d. h. durch Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung 26 in unterschiedlichen und mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen (bidirektionale Anströmung) von unterschiedlichen Seiten der Kanaleinrichtung 26 her wird der Ausbildung von Inhomogenitäten bezüglich der Stromverteilung entgegengewirkt, indem das Reaktionsgas möglichst gleichmäßig auch in seiner Richtungsverteilung dem elektrochemisch aktiven Bereich zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Konzept läßt sich grundsätzlich für jede Ausbildung der Kanaleinrichtung 26, d. h. für jede Ausgestaltung der Kanalanordnung der Kanaleinrichtung 26 verwenden. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in den ersten Kanalbereichen 40 und zweiten Kanalbereichen 46 die Kanäle 52 mäanderartig geführt und dabei bezüglich den beiden Kanalbereichen 40 und 46 im wesentlichen parallel geführt.
Durch die bidirektionale Einkopplung von Reaktionsgas durchläuft dann dieses die beiden Kanalbereiche 40, 46, welche getrennte Strömungswege aufweisen, und zwar in parallelen Kanalabschnitten beider Kanalbereiche 40, 46 in Gegenrichtung. Dadurch läßt sich eben eine hohe Homogenität in der lokalen Stromverteilung auf der zugeordneten Elektrode erreichen. Es ist eine Art von Gegenstromführung des Reaktionsgases realisiert.
Die Kanaleinrichtung 26 kann auch gerade Kanäle umfassen, welche im wesentlichen senkrecht zu den zugeordneten Verteilern 30, 32 angeordnet sind (in der Zeichnung nicht gezeigt). Die Einkopplung in die entsprechenden Kanäle erfolgt dann so, daß das Reaktionsgas in benachbarten Kanälen jeweils in Gegenrichtung geführt ist.
Bei einer Labyrinthstruktur der Kanaleinrichtung 26, bei der die Kanäle spiralförmig angeordnet sind, unterscheidet sich der Windungssinn bei der Durchströmung von Reaktionsgas zwischen den jeweiligen unterschiedlichen ersten Kanalbereichen und zweiten Kanalbereichen aufgrund der bidirektionalen Einkopplung, d. h. der Windungssinn ist entgegengesetzt. Auch bei einer porösen Kanalstruktur oder bei einer Netzstruktur oder Gitterstruktur der Kanaleinrichtung 26 läßt sich über bidirektionale Einkopplung von der Verteileinrichtung 28 in die Kanaleinrichtung 26 insbesondere über die alternierende Anordnung von Anströmbereichen und Abströmbereichen eine hohe Homogenität in der lokalen Stromdichte erreichen.
Durch die benachbarte Anordnung von Anströmbereichen und Abströmbereichen für die Kanaleinrichtung 26 läßt sich eine bidirektionale symmetrische Strömungsführung bezüglich des elektrochemisch aktiven Bereichs der zugeordneten Elektrode erreichen.
Insbesondere ist es noch vorgesehen, daß die Zuführung von Reaktionsgas zu der Verteileinrichtung 28 mit ihren Verteilern 30 und 32 auch zeitlich steuerbar ist. Dazu ist beispielsweise in einer Leitung 74, welche von der Reaktionsgasquelle 34 zu dem Verteiler 30 führt, ein steuerbares Ventil 76 angeordnet, bei welchem es sich beispielsweise um ein Magnetventil handelt. Entsprechend ist in einer Leitung 78, welche zu dem Verteiler 32 führt, ein steuerbares Ventil 80 angeordnet. Über Öffnung und Schließung dieser Ventile 76 und 80 läßt sich somit die Reaktionsgaszuführung zu den Verteilern 30 und 32 der Verteileinrichtung 28 steuern.
Zur Steuerung der beiden Ventile 76 und 80 ist eine Steuerungsvorrichtung 82 vorgesehen. (Bei multidirektionaler Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung 26 ist eine entsprechende Mehrzahl von steuerbaren Ventilen vorgesehen.)
Insbesondere läßt sich dann über die jeweiligen Ventile 76, 80 und die Steuerungsvorrichtung 82 den Verteilern 30, 32 Reaktionsgas getaktet zuführen und damit wiederum läßt sich Reaktionsgas getaktet in die Kanaleinrichtung 26 einkoppeln. Die Taktraten bezüglich der Zuführung von Reaktionsgas zu den Verteilern 30 und 32 können dabei versetzt sein, so daß nicht gleichzeitig Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung 26 von dem Verteiler 30 und von dem Verteiler 32 her eingekoppelt wird.
Durch entsprechende zeitliche Steuerung, angepaßt an die Ausgestaltung der Kanaleinrichtung 26, läßt sich dann auch im zeitlichen Mittel eine gleichmäßige Anströmung des elektrochemisch aktiven Bereichs der zugeordneten Elektrode erreichen.
Eine zeitliche Steuerung und insbesondere Taktung der Reaktionsgasführung zu einer Kanaleinrichtung ist auch vorteilhaft bei unidirektionaler Anströmung der Kanaleinrichtung.
Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist eine Sperrvorrichtung vorgesehen, mittels welcher sich die Abströmung von Reaktionsgas und Reaktionsprodukten von der Kanaleinrichtung 26 sperren läßt. Beispielsweise sind dazu entsprechende, über die Steuerungsvorrichtung 82 steuerbare Sperrventile 84, 86 in Leitungen 88, 90 vorgesehen, welche von der Sammeleinrichtung 59 zu einer Senke 92 für Reaktionsgas/Reaktionsprodukte führen.
Die Leitung 88 ist dabei an einen Sammelkanal 89 gekoppelt, welcher wiederum an den Verteilerkanal 30 mittels der Kanaleinrichtung 26 fluidwirksam gekoppelt ist. Die Leitung 90 ist an einen Sammelkanal 91 gekoppelt, welcher mit dem Verteilerkanal 32 in Fluidverbindung steht.
Dadurch ist es möglich, Wasserpfropfen in Kanälen 52 der Kanaleinrichtung 26 zu entfernen, indem entsprechend die Abströmung von Reaktionsgas/Reaktionsprodukten aus der Sammeleinrichtung 59 gesperrt wird. Dadurch wird eine Diffusion bzw. Zwangskonvektion von Reaktionsgas verursacht, die eine Zwangsdurchströmung der entsprechenden porösen Schicht der Elektrode bewirkt. Auf diese Weise läßt sich dann die poröse Schicht der Elektrode entfeuchten, d. h. Wasserpfropfen lassen sich entfernen.
Durch eine entsprechende zeitliche Steuerung läßt sich so eine regelmäßige Entfeuchtung der Elektrode erreichen und damit ihre Funktionsfähigkeit sicherstellen und ihre Lebensdauer erhöhen. Die entsprechende Steuerung kann dabei extern beispielsweise durch Sperrung der Abströmung in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgen oder auch intern in einem Regelungskreis erfolgen, in dem ein Sensor die Notwendigkeit eines Entfeuchtungsvorgangs detektiert. Ein solcher Sensor kann dabei durch die Meßvorrichtung für lokale Stromverteilungen, wie sie in der deutschen Patentanmeldung Nr. DE 101 51 601 A1 vom 15. Oktober 2001 des gleichen Anmelders beschrieben ist, realisiert werden.
Bei einer Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 4 ist es vorgesehen, daß sich die Funktionsweise der Sammeleinrichtung 59 und der Verteileinrichtung 28 gesteuert durch die Steuerungsvorrichtung 82 vertauschen läßt (5). Gesteuert durch die Steuerungsvorrichtung 82 kann die Sammeleinrichtung 59 als Verteileinrichtung zur Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung 26 wirken und die Verteileinrichtung 28 als Sammeleinrichtung zur Abführung von unverbrauchtem Reaktionsgas und Reaktionsprodukten aus der Kanaleinrichtung 26, wobei eben diese Zuführungsfunktion und Abführungsfunktion der Sammeleinrichtung 59 und der Kanaleinrichtung 26 zeitlich umschaltbar und insbesondere getaktet umschaltbar ist.
Die Sammeleinrichtung 59 ist dann so angeordnet und ausgebildet und insbesondere mit der Kanaleinrichtung 26 über ihre beabstandeten Sammelkanäle 89, 91 verbunden, daß, wie oben im Zusammenhang mit der Verteileinrichtung 28 beschrieben, Reaktionsgas bidirektional, d. h. von gegenüberliegenden Seiten her, in die Kanaleinrichtung 26 einkoppelbar ist, wenn die Sammeleinrichtung 59 als Verteileinrichtung wirkt.
Zur Einkopplung von Reaktionsgas in die Gasverteilungsvorrichtung 22 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Reaktionsgasquelle 94 vorgesehen, welche über eine Leitung 96 mit der Verteileinrichtung 28 fluidwirksam in Verbindung steht. Die Leitung 96 ist dabei an die Leitungen 74 und 78 gekoppelt, die in die Verteilerkanäle 30 und 32 führen.
Ferner ist die Reaktionsgasquelle 94 über eine Leitung 98 mit der Sammeleinrichtung 59 verbunden, wobei diese Verbindung über die Leitungen 88 und 90 erfolgt, die in die Sammelkanäle 89 und 91 führen.
Auf diese Weise kann sowohl die Sammeleinrichtung 59 als auch die Verteileinrichtung 28 mit Reaktionsgas versorgt werden.
Zur Steuerung der Reaktionsgasversorgung der Gasverteilungsvorrichtung 22 ist dann jeweils ein steuerbares Ventil 100 in der Leitung 96 vorgesehen und ein steuerbares Ventil 102 in der Leitung 98.
Ferner ist eine Senke 104 für unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte vorgesehen, welche über eine Leitung 106 an die Leitung 96 gekoppelt ist. In der Leitung 106 wiederum ist ein steuerbares Ventil 108 angeordnet. Über eine Leitung 110 ist die Senke 104 an die Leitung 98 gekoppelt, wobei in dieser Leitung 110 ein steuerbares Ventil 112 angeordnet ist. Ein derart gebildeter Senkenzweig 112 ist parallel zu einem Quellenzweig 114 angeordnet. Auf diese Weise wird es ermöglicht, daß je nach Beschaltung der Ventile 102, 112, 100, 108 Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle 94 in die Verteileinrichtung 28 strömen kann, während aus der Sammeleinrichtung 59 unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte in die Senke 104 strömen können. Bei der Vertauschung der Funktion zwischen Verteileinrichtung 28 und Sammeleinrichtung 59 kann dann entsprechend Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle 94 in die Sammeleinrichtung 59 (d. h. in die Sammelkanäle 89 und 91) strömen, um auf diese Weise der Kanaleinrichtung 26 zugeführt zu werden, und unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte können dann über die Verteilerkanäle 30 und 32 der Verteileinrichtung 28 durch die Leitung 96 in die Senke 104 strömen.
Die Steuerungsvorrichtung 82 steuert dabei die Ventile 100, 102, 108 und 112 derart synchron, daß ein entsprechender, insbesondere getakteter Funktionswechsel für die Zuführung von Reaktionsgas und die Abführung von unverbrauchtem Reaktionsgas und Reaktionsprodukten aus der Kanaleinrichtung 26 ermöglicht ist. Insbesondere ist das Ventil 102 in einer Sperrstellung, wenn das Ventil 100 geöffnet ist, um der Kanaleinrichtung 28 Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle 94 zuzuführen. Das Ventil 108 im Senkenzweig 112 ist dann ebenfalls gesperrt, während das Ventil 112 geöffnet ist, damit die Senke 104 unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte aufnehmen kann.
Bei einer Umschaltung der Strömungsrichtung bezüglich der Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung 26 wird dann das Ventil 100 geschlossen, während das Ventil 102 geöffnet wird. Entsprechend wird dann das Ventil 112 geschlossen, während das Ventil 108 geöffnet wird.
Über die Steuerungsvorrichtung 82 ist es somit möglich, die Strömungsrichtung in der Kanaleinrichtung 26 zeitlich getaktet umzukehren, indem jeweils die Funktion der Verteileinrichtung 28 und der Sammeleinrichtung 59 synchron getaktet vertauscht wird. Auf diese Weise läßt sich die Reaktionsgasversorgung des elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode verbessern und der Wassertransport aus der Porenstruktur der Elektrode und insbesondere aus ihrer Gasdiffusionsschicht verbessern. Weiterhin läßt sich dadurch die Homogenität des Wasserhaushalts der Membran verbessern und insgesamt läßt sich die Homogenität der Stromdichteverteilung im zeitlichen Mittel verbessern.
Die getaktete Umschaltung der Strömungsrichtung in der Kanaleinrichtung 26 ist auch möglich, wenn die Kanaleinrichtung nur unidirektional angeströmt wird, d. h. nur ein Verteilerkanal und ein gegenüberliegender Sammelkanal vorgesehen sind (in der Zeichnung nicht gezeigt). Bei der getakteten Ansteuerung wird dann entsprechend die Funktion von Verteilerkanal und Sammelkanal zeitlich getaktet vertauscht und im zeitlichen Mittel ergibt sich eine bidirektionale Strömungsführung zur Reaktionsgasbeaufschlagung des elektrochemisch aktiven Bereichs einer Elektrode.

Claims

Gasverteilungsvorrichtung für eine elektrochemische Elektrode (14; 16) mit einer Kanaleinrichtung (26) zur Beaufschlagung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Elektrode (14; 16) mit Reaktionsgas, mit einer Verteileinrichtung (28) zur Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung (26), mit einer Sammeleinrichtung (59) zur Abführung von Reaktionsgas und Reaktionsprodukten von der Kanaleinrichtung (26) und mit einer Steuerungsvorrichtung (82), mittels welcher der Kanaleinrichtung (26) Reaktionsgas zeitlich gesteuert zuführbar ist und unverbrauchtes Reaktionsgas und Reaktionsprodukte zeitlich gesteuert abführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (26) und die Sammeleinrichtung (59) so ausgebildet sind, dass ihre Funktionsweise bezüglich Zuführung von Reaktionsgas zur Kanaleinrichtung (26) und Abführung von Fluid von der Kanaleinrichtung (26) umschaltbar vertauschbar ist und dass die Zuführungsrichtung für Reaktionsgas und Abführungsrichtung für Fluid bezogen auf einen Kanal durch die Steuerungsvorrichtung (82) zeitlich gesteuert wechselbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (28) so ausgebildet ist, dass in die Kanaleinrichtung (26) Reaktionsgas in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen einkoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (28) so ausgebildet ist, dass in die Kanaleinrichtung (26) von unterschiedlichen Seiten der Kanaleinrichtung (26) her Reaktionsgas einkoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (28) so ausgebildet ist, dass in die Kanaleinrichtung (26) von gegenüberliegenden Seiten her Reaktionsgas einkoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (28) so ausgebildet ist, dass in die Kanaleinrichtung (26) in im wesentlichen entgegengesetzten Strömungsrichtungen Reaktionsgas einkoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (28) so ausgebildet ist, dass der Kanaleinrichtung (26) im wesentlichen symmetrisch zu einer Achse (70; 72) Reaktionsgas zuführbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Symmetrieachse eine Mittelachse (70; 72) der Kanaleinrichtung (26) ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Symmetrieachse eine Diagonalachse der Kanaleinrichtung (26) ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (28) mindestens zwei beabstandete Verteiler (30, 32) umfasst, über die Reaktionsgas in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen in die Kanaleinrichtung (26) einkoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteiler als Verteilerkanäle (30, 32) ausgebildet sind.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegende Verteilerkanäle (30, 32) parallel zueinander sind.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaleinrichtung (26) mindestens einen ersten Kanalbereich (40) und einen zweiten Kanalbereich (46) umfasst, in welche Reaktionsgas in relativ zueinander unterschiedlichen Strömungsrichtungen einkoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalbereich (40) und der zweite Kanalbereich (46) so ausgebildet sind, dass Reaktionsgas durch diese in relativ zueinander entgegengesetztem Windungssinn oder unterschiedlichen Richtungen oder unterschiedlicher Richtung durchströmbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalbereich (40) und der zweite Kanalbereich (46) als getrennte Strömungswege ausgebildet sind.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanalbereich (40; 46) so ausgebildet ist, dass der elektrochemisch aktive Bereich der Elektrode (14; 16) flächig mit Reaktionsgas beaufschlagbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaleinrichtung (26) einen oder mehrere erste Kanalbereiche (40) und einen oder mehrere zweite Kanalbereiche (46) in alternierender oder verschachtelter Anordnung umfasst.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Steuerungsvorrichtung (82) ein oder mehrere Ventile (76; 80) für die Reaktionsgaszuführung und/oder Fluidabführung zeitlich steuerbar sind.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung von Reaktionsgas in die Kanaleinrichtung (26) und/oder Auskopplung von Fluid aus der Kanaleinrichtung (26) für jede Strömungsrichtung zeitlich steuerbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sperrvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Abführung von Reaktionsgas und/oder Reaktionsprodukten von der Gasverteilungsvorrichtung zeitlich gesteuert sperrbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von getrennten Kanaleinrichtungssegmenten (40, 46) vorgesehen ist, wobei in jedes Segment Reaktionsgas in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen einkoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (59) so ausgebildet ist, dass aus der Kanaleinrichtung (26) Fluid in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen auskoppelbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (26) eine Mehrzahl von Verteilerkanälen (30, 32) umfasst, die Sammeleinrichtung (59) eine Mehrzahl von Sammelkanälen (89, 91) umfasst, und ein Sammelkanal (89; 91) mit einem zugeordneten Verteilerkanal (30; 32) jeweils über die Kanaleinrichtung (26) in fluidwirksamer Verbindung steht.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilungsvorrichtung ein von der elektrochemischen Elektrode (14; 16) getrenntes Bauteil ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilungsvorrichtung als Bipolarplatte oder Kontaktplatte ausgebildet ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilungsvorrichtung in die elektrochemische Elektrode (14; 16) integriert ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (28) und die Kanaleinrichtung (26) so ausgebildet sind, dass der elektrochemisch aktive Bereich mehrseitig anströmbar ist.
Gasverteilungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Anströmbereiche (42; 48) und ein oder mehrere Abströmbereiche (44; 50) der Kanaleinrichtung (26) auf der gleichen Seite der Kanaleinrichtung (26) angeordnet sind.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass Anströmbereiche (42; 48) und Abströmbereiche (44; 50) alternierend und/oder benachbart angeordnet sind.
Elektrochemische Elektrodenanordnung, welche mit mindestens einer Gasverteilungsvorrichtung (22) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche versehen ist.
Elektroden-Membran-Einheit mit einer Membran (12), einer Kathode (14) und einer Anode (16), wobei der Kathode (14) und der Anode (16) jeweils eine Gasverteilungsvorrichtung (22) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28 zugeordnet ist.
Verfahren zur Reaktionsgasbeaufschlagung einer elektrochemischen Elektrode, bei dem das Reaktionsgas einem elektrochemisch aktiven Bereich der Elektrode über Kanäle zugeführt wird und das Reaktionsgas zeitlich gesteuert zugeführt wird und Fluid zeitlich gesteuert abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemisch aktive Bereich bezogen auf die Zuführung und Abführung von Reaktionsgas von gegenüberliegenden Seiten her angeströmt wird und dass die Zuführungsrichtung für Reaktionsgas und Abführungsrichtung für Fluid bezogen auf einen Kanal zeitlich gesteuert gewechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas von mindestens zwei Richtungen her in die Kanäle eingekoppelt und/oder ausgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas in den Kanälen für unterschiedliche Einkopplungsrichtungen in getrennten Strömungswegen geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionsgas in einen ersten Kanalbereich und in einen zweiten Kanalbereich in unterschiedlichen Strömungsrichtungen eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalbereich und der zweite Kanalbereich relativ zueinander unterschiedlich im Windungssinn oder in unterschiedlicher Strömungsrichtung durchströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfluss von Reaktionsgas und/oder Reaktionsprodukten zeitlich gesteuert gesperrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion einer Verteileinrichtung zur Zuführung von Reaktionsgas in die Kanäle und einer Sammeleinrichtung zur Abführung von Fluid von den Kanälen zeitlich gesteuert vertauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmung von unterschiedlichen Seiten her durch eine räumliche Ausbildung einer Gasverteilungsvorrichtung und durch zeitliche Steuerung der Zuführung und Abführung erreicht wird.