DE19743067A1

DE19743067A1 - Strömungsmodul mit Strömungskammern für drei oder vier Fluide

Info

Publication number: DE19743067A1
Application number: DE19743067A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Schmid
Original assignee: NuCellSys GmbH; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH; Siemens VDO Electric Drives Inc
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: DE19743067C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Strömungsmodul, insbesondere ausgebildet als Brennstoffzelle, aus einseitig oder beidseitig mit Strömungskanälen struktu rierten Strömungsplatten, zwischen denen Strömungskammern für drei oder vier unterschiedliche Fluiden gebildet werden, nach dem Oberbegriff des An spruch 1.

Strömungsmodule, in denen drei Fluide unabhängig voneinander geführt wer den können, werden in dieser Anmeldung abgekürzt als 3-Kammerströmungs module bezeichnet. Ebenso werden Strömungsmodule mit Strömungskam mern für vier Fluide auch als 4-Kammerströmungsmodule bezeichnet. Die ein zelnen Kammern können in beliebiger Ordnung zueinander vorhanden sein.

Mit Strömungsmodulen in der Form von Plattenmodulen werden in der Praxis eine Vielzahl von Prozessen durchgeführt. 3-Kammerströmungsmodule wer den z. B. in Brennstoffzellensystemen, in Reaktoren oder Membranplattenmo dulen eingesetzt. Für einen effizienten Ablauf der Prozesse mit Plattenmodu len werden allgemein nachfolgende Anforderungen an das Plattenmodul ge stellt:

- Eine bestimmte Verweilzeit des Fluids in einer Kammer sollte durch kon struktive Anpassung der Strömungsverläufe in den Platten ermöglicht werden.
- Um eine hohe Packungsdichte (Verhältnis aktive Fläche zu Gesamtvolu men des Moduls) zu erzielen, wird eine hohe Flächenausnutzung gefor dert.
- Bei Brennstoffzellenanwendungen wird z. B. ein definiertes Verhältnis von Fluidvolumenstrom, der in eine Strömungskammer geleitet wird, zur gesamten aktiven Strömungsfläche derselben Strömungsplattenseite gefordert, oder/und Realisierung eines definierten Druckabfalls pro Län geneinheit entlang der Strömungsführung, um damit einen bestimmten Strömungszustand in den Strömungsplatten zu erreichen.
- Gegenstromführung, um ein homogenes Reaktionsfeld über die Reak tionsflächen zu erreichen sowie eine hohe mittlere logarithmische Kon zentrationsdifferenz zu erreichen.

Grundsätzlich wird eine homogene Strömungsverteilung (enges Verweilzeit spektrum) und geringer Druckabfall in den Zu- und Abfuhrräumen sowie über die Strömungsfläche der Strömungsplatten gefordert, um maximale Effizienz (Stoff- und Wärmetransportraten) zu erreichen. Erschwerend kommt meist hin zu, daß in einer vorgegebenen Strömungsplattengröße eine geeignete Ge staltung des Strömungsprofils unter Einhaltung der obengenannten Anforde rungen erfolgen muß.

Mit bekannten 3-Kammer-Strömungsmodulen können vorstehende Anforde rungen nicht hinreichend erfüllt werden.

Die dabei auftretenden Probleme werden am Beispiel der Anwendung eines 3-Kammerströmungsmoduls für Brennstoffzellen im folgenden erläutert.

Brennstoffzellen werden vorwiegend in Plattenbauweise und mit einer bipola ren elektrischen Strömungsführung ausgeführt. Die Zellen umfassen jeweils mindestens eine Kathode, einen Elektrolyten bzw. Separator, eine Anode, einer kathodenseitigen Oxidantenkammer und einer anodenseitigen Reaktan tenkammer. Die Kammern bestehen vorzugsweise aus Platten, die Vertiefun gen, insbesondere in Form von Kanälen enthalten. Hierbei wird das Fluid durch die Kanäle über die gesamte geometrische Plattenfläche an die Elektro de geleitet, um eine möglichst homogene Strömungsverteilung zu erzielen. Die Brennstoffzellenreaktion erfolgt nach der Gleichung:

H₂+0,5.O₂ < H₂O + Wärme + elektrische Energie.

Die Reaktionswärme wird durch ein Kühlfluid abgeführt, das durch eine sepa rate Kammer fließt. Dies Kühlkammern werden zwischen jeder oder nach mehreren vorstehenden Zellen angeordnet. Ein Stack mit mehreren Zellen wird durch dessen Stapelung erhalten. Die Fluide werden dann in einem Stack über die jeweiligen Fluidzu- und Abfuhrräume vorzugsweise parallel in die zugehörigen Fluidkammern geleitet.

Nach den vorstehenden Ausführungen kann somit eine Brennstoffzelle strö mungstechnisch als Strömungsmodul mit drei separaten Fluidkammern, der Oxidanten-, Reaktanten- und Kühlkammer, betrachtet werden.

Ausgehend von der Fluidzuführung bzw. vom Fluideintritt einer Strömungs platte, sinkt der Reaktanten- und Oxidantenpartialdruck mit zunehmender Ka nallänge in Richtung Fluidaustritt der Strömungsplatte bedingt durch die Brennstoffzellenreaktion an den Elektroden und damit verbundenen Ver brauch der Fluide.

Der dabei erzielte Umsatz an Edukten kann mittels nachfolgender Faraday gleichung beschrieben werden:

(1) V_F,Pl = i.A.22,414[nl/mol]/(F.z)

V_F,Pl: umgesetzter Volumenstrom [nl/s]
i: Stromdichte [A/m²]
A: geometrische Elektrodenfläche [m²]
F: Faradaykonstante [96494 As/mol]
z: Wertigkeit.

Der Wirkungsgrad der Reaktion steigt deutlich mit zunehmendem Gaspartial druck nach der Nernstgleichung an. Deshalb ist man bestrebt, am Ende des Kanals bzw. am Fluidaustritt der Platte noch einen möglichst hohen Gasparti aldruck zu erreichen. Die Einstellung des Gaspartialdruckes am Plattenaustritt erfolgt durch Bemessungen des Volumenstromes der durch die Kammer der Strömungsplatte geleitet wird. Dabei beschreibt der Überschußfaktor das Ver hältnis des Partialvolumenstromes am Eintritt der Platte zum Partialvolumen strom, der an der Elektrode verbraucht wird.

(2) V_Pl = V_F,Pl.Y

V_Pl: Partialvolumenstrom durch eine Strömungsplatte
Y: Stöchiometriefaktor.

Eine inhomogene Reaktanten- oder Oxidantenkonzentrationsverteilung über die Strömungsfläche führt zur Absenkung des Wirkungsgrads oder sogar zur Zerstörung der Membran-Elektrodeneinheit. Deshalb steht die Realisierung ei ner homogenen Strömungsverteilung über die Strömungsfläche allgemein im Mittelpunkt der Strömungsplattenkonstruktion.

In vorteilhaften Ausführungen der Strömungsplatten werden mehrere parallele Kanäle gleicher Länge über die geometrische Fläche der Elektrode geführt. Dabei erfährt das durch die Kanäle strömende Fluid einen Druckverlust, der durch folgende grundlegende Beziehung berechnet werden kann:

(3) Δρ = ψ.l/d_h.ρ.V²/2

l: Kanallänge
ρ: Fluiddichte
V: mittlere Strömungsgeschwindigkeit.

(4) d_h = 4 A/U = 2 a.b/a+b

d_h: hydraulischer Durchmesser
ψ: Widerstandszahl
a: Kanalbreite
b: Kanaltiefe.

Umlenkungen der Kanäle tragen zur Verbesserung der Reaktion nicht bei und wirken sich negativ auf die Druckverlustoptimierung aus.

allgemein: (5) Δρ = ξk.ρ.V²/2

ξ: Widerstandsbeiwert
D: Krümmungsdurchmesser
d: Rohrdurchmesser bzw. hydraulischer Durchmesser
(Detaillierte Berechnungsgleichungen siehe).

Der vorstehende erläuterte Strömungsdruckverlust, der meist durch installierte Kompressoren aufgebracht werden muß, vermindert durch seinen Leistungs verbrauch erheblich den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Der Leistungsverbrauch wird nach folgendem Zusammenhang abgeschätzt:

P_v = η.dp.V_PI

P_v: Leistungsverbrauch des Kompressors
η: Wirkungsgrad des Kompressors
dp: Fluiddruckverlust über der Platte.

Bekannte Brennstoffzellensysteme, die im Bereich von 3 bar Betriebsdruck (Oxidant und Reaktant) arbeiten, verbrauchen zur Komprimierung des Oxidan ten bis zu 16% der erzeugten elektrischen Leistung. Vorstehende Zusammen hänge, nämlich mit zunehmendem Betriebsdruck und Überschußfaktor steigt der Brennstoffzellenwirkungsgrad und gleichzeitig steigt der Leistungsver brauch des Kompressors, weisen auf ein absolutes Maximum des Gesamtwir kungsgrades in Abhängigkeit des Überschußfaktors und Betriebsdruckes hin.

Ziel bei der Designgestaltung ist es, einen hohen Brennstoffzellenwirkungs grad bei möglichst geringem Betriebsdruck und Fluiddruckverlust zu erzielen. In Brennstoffzellen wird auch dafür Sorge getragen, daß das Produktwasser aus den Zellen ausgetragen wird. Diese Funktion wird durch bekannte Verfah ren erfüllt, die z. B. über die Wasserdampfanreicherung des Oxidanten oder/und Reaktanten das Produktwassers aus der Zelle austragen. In PEM-Zel len, die vorzugsweise mit sehr geringem Überschußfaktor < 2 betrieben werden, wird der Oxidant wasserdampfübersättigt. Dadurch entstehen Was sertropfen in den Gaskanälen der Strömungsplatten, die zur Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrades der Reaktion aus den Kanälen herausgescho ben werden müssen. Insbesondere für diese Aufgabe wirken sich Umlenkun gen sehr ungünstig aus. Die Umlenkungen wirken sich in folgender Weise mehrfach negativ auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aus:

a) Umlenkungen erzeugen Strömungsdruckverluste, die sich negativ auf den Reaktionsprozeß auswirken.
b) Umlenkungen bilden ein erhebliches Hindernis auch für das Heraus schieben der Wassertropfen aus den Kanälen.
c) Eine Strömungsplatte mit einer Vielzahl von Umlenkungen kann die Schwerkraft für den Austrag der Wassertröpfchen aus den Kanälen nur eingeschränkt nutzen.

An die Strömungsplatten für Brennstoffzellen werden nun folgende Anforde rungen gestellt:

- homogene Verteilung und Sammlung der Fluide zu bzw. von den Strömungsplatten (Diese betrifft die Ausführung der Fluidzu- und Abfuhr räume),
- homogene Verteilung und Sammlung der Fluide zu bzw. von den Kanälen der Strömungsplatten (Diese betrifft insbesondere die Ausfüh rung der Schnittstelle zwischen Fluidzu- bzw. Abfuhrräumen und Strö mungskanälen),
- Auslegung der Kanalgeometrie in einer Strömungsplatte, so daß ein möglichst geringer Strömungsdruckverlust und hoher Brennstoffzellen wirkungsgrad erzielt wird,
- geringe Gestehungskosten (Verwendung von kostengünstigen Materialien und einfachen Strömungsplattenausführungen).

Auf dem Gebiet der Brennstoffzellen sind im einzelnen folgende Vorrichtun gen bekannt:
In EP 0 415 733 A2 wird in der dortigen Fig. 2 eine Einkanal-Serpentinen strömungsplatte gezeigt. In dieser Platte befinden sich aufgrund der Verwen dung von nur einem Kanal eine Vielzahl von 90°-Umlenkungen. Diese Umlen kungen verursachen eine zusätzlich hohen Druckabfall, der zur Verbesserung des Prozesses nicht beiträgt, und stellt auch eine besondere Blockade für den Austrag des flüssigen Produktwassers aus der Strömungsplatte dar.

Das Mehrkanalströmungsprofil in der dortigen Fig. 4 weist ebenso noch sehr viele Umlenkungen auf. Ebenso weist diese Strömungsplatte auch eine sehr niedrige Flächenausnutzung (Verhältnis Strömungsfläche zur Gesamtfläche) auf. Eine hohe Flächenausnutzung ist für die Erzielung einer hohen Lei stungsdichte notwendig. Um einen geringen Druckverlust zu erreichen, sind in diesem Fall auch hohe Kanaltiefen erforderlich. Dies erzeugt jedoch deutlich erhöhte Zelldicken und damit geringere Leistungsdichten.

US 5,527,363 und US 5,521,018 zeigen ebenfalls eine Einkanal-Strö mungsplatte mit Serpentinen, die vorstehende beschriebene Nachteile auch aufweisen. Insbesondere die Vorrichtungen entsprechend den dortigen Fig. 7a) und 7b) zeigen Strömungsplatten für Kühlmedien, die eine sehr geringe Wärmeübertragungsfläche realisieren.

Die in US 5,547,776 beschriebenen Strömungsplatten (Fig. 6a und 6b) be sitzen ebenso eine Vielzahl von Umlenkungen und eine ungünstig niedrige Flächenausnutzung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsmodul mit separaten Strömungskammern für drei oder vier Fluide anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile überwindet, und insbesondere folgende Anforderungen erfüllt:

- homogene Verteilung und Sammlung der Fluide zu bzw. von den Strömungsplatten,
- homogene Verteilung und Sammlung der Fluide zu bzw. von den Kanälen der Strömungsplatten,
- möglichst geringer Strömungsdruckverlust,
- geringe Gestehungskosten.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Verwendung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Strömungsmodul umfaßt einseitig oder beidseitig mit Strömungskanälen strukturierte Strömungsplatten, zwischen denen Strö mungskammern für drei oder vier Fluide gebildet sind, wobei

- pro Kammer mindestens ein Fluidzufuhrraum und ein Fluidabfuhrraum vor handen ist,
- die Strömungskanäle innerhalb einer Kammer zueinander parallel sind, und jeweils einen der Fluidzufuhrräume mit einem der Fluidabfuhrräume verbinden, wobei die Strömungskanäle die gleiche Länge aufweisen, und
- die Gesamtheit der Strömungskanäle einer Kammer ein rechteckiges Strö mungsfeld bilden, welches bezüglich seines Mittelpunkts Punktsymmetrie aufweist,
- jeder Fluidzufuhrraum und jeder Fluidabfuhrraum sich zumindest über ein Viertel der Kantenlänge des Strömungsfelds erstreckt,
- die Strömungskanäle über die gesamte Länge des Fluidzufuhrraums von diesem ausgehen, und
- die Strömungskanäle über die gesamte Länge des Fluidabfuhrraums in diesen münden,
- die Strömungskammern für mindestens eines der Fluide zwei, jedoch maxi mal sechs Umlenkungen aufweisen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 eine Strömungsplatte für ein erfindungsgemäßes Strömungsmodul mit Strömungskammern für drei Fluide (3-Kammerströmungsmodul),

Fig. 2, 3, 4 weitere Strömungsplatte für ein erfindungsgemäßes Strömungsmo dul mit Strömungskammern für drei Fluide (3-Kammerströmungs modul),

Fig. 5 Fluidströmungsführung innerhalb eines erfindungsgemäßen Strö mungsmoduls bei Verwendung als Brennstoffzellenstack (3-Kammer strömungsmodul),

Fig. 6 Fluidströmungsführung innerhalb eines erfindungsgemäßen Strö mungsmoduls bei Verwendung als Brennstoffzellenstack mit stackinte grierter Luftbefeuchtung (3-Kammerströmungsmodul),

Fig. 7 Fluidströmungsführung innerhalb eines erfindungsgemäßen Strö mungsmoduls bei Verwendung als Membrandestillationsmodul (3-Kam merströmungsmodul),

Fig. 8 eine Strömungsplatte für ein erfindungsgemäßes Strömungsmodul mit Strömungskammern für vier Fluide (4-Kammerströmungsmodul),

Fig. 9 eine weitere Strömungsplatte für ein erfindungsgemäßes Strömungs modul mit Strömungskammern für vier Fluide (4-Kammerströmungs modul),

Fig. 10, 11 jeweils Fluidströmungsführungen innerhalb eines erfindungsgemä ßen Strömungsmoduls bei Verwendung als Brennstoffzellenstack mit stackintegrierter Befeuchtung und Kühlung der Prozeßluft (4-Kammer strömungsmodul),

Fig. 12 jeweils Fluidströmungsführungen innerhalb eines erfindungsgemä ßen Strömungsmoduls bei Verwendung als Brennstoffzellenstack mit stackintegrierter Befeuchtung (4-Kammerströmungsmodul),

Fig. 13 Fluidströmungsführungen innerhalb eines erfindungsgemäßen Strö mungsmoduls bei Verwendung als Brennstoffzellenstack mit stackinte grierter Befeuchtung und Kühlung der Prozeßluft (4-Kammerströ mungsmodul).

3-Kammerströmungsmodul

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Strömungsplatte für ein Strömungsmodul mit Strömungskammern für drei Fluide (3-Kammerströmungsmodul).

Ein 3-Kammerströmungsmodul besteht in seiner einfachsten Ausführung aus mehreren übereinander oder nebeneinander angeordneten Strömungsplatten sowie gegebenenfalls zwei oder mehreren Endplatten. Die einzelnen Strö mungskammern werden durch die Strömungskanäle K in den Strömungsplat ten realisiert. Die Strömungsplatten können einseitig oder beidseitig mit Strö mungskanälen versehen werden.

Die in Fig. 1 dargestellt Strömungsplatte weist Strömungskanäle K für ein Fluid (hier Fluid 2) auf, die insgesamt ein im wesentlichen rechtwinklig ausgebildetes Strömungsfeld bilden. Dargestellt sind außerdem der Zufuhrraum Z2 für Fluid 2 und der zugehörige Abfuhrraum A2 für Fluid 2, die mit den Strömungskanä len K in Verbindung stehen. In der Strömungsplatte sind darüberhinaus die Zu- und Abfuhrkanäle Z1, Z3, A1, A3 für die beiden anderen Fluide (Fluid 1 und Fluid 3) angeordnet. Werden die Strömungsplatten zur Integration des Strömungs moduls fluchtend über- oder nebeneinander angeordnet, so bilden die Zu- und Abfuhrräume sämtlicher Strömungsplatten Zu- und Abfuhrkanäle für die einzel nen Fluide, wobei Dichtungen D zwischen den einzelnen Strömungsplatten für die Abdichtung der Fluide untereinander sorgen. Die Zu- und Abfuhrräume Z1, Z2, Z3, A1, A2, A3 sind in der gezeigten Ausführung in die Strömungsplatten in tegriert, d. h. sie bilden Durchbrechungen in der Strömungsplatte. In weiteren, hier nicht gezeigten Ausführung sind die Zu- und Abfuhrräume nicht Bestand teil der Strömungsplatten und werden an die Strömungsplatten als separates Bauteil angefügt.

Die Zu- und Abfuhrräume werden vorteilhaft rechteckig ausgeführt, um eine möglichst homogene Fluidzuführung zu den Strömungskanälen der Platten zu erreichen. Insbesondere in den größeren Zu- und Abfuhrräumen sind vorteil haft Verstärkungsstreben S zur mechanischen Stabilisierung angeordnet, da der Fluiddruck in den Zu- und Abfuhrkanälen versucht, die Längsleisten der Plattenelemente nach außen zu drücken. Die Verspannung der Strömungsplat ten kann hier vorteilhaft über Zuganker ZA erfolgen, die in den vorgesehenen Bohrungen der Strömungsplatten angeordnet werden. Zur Abdichtung gegen den Außenraum sowie zwischen den Fluiden werden die Dichtungen D wie in der Fig. 1 gezeigt vorzugsweise als umlaufende Dichtungen eingesetzt.

Das in Fig. 1 gezeigte Strömungsfeld für Fluid 2 weist eine punktsymmetrische Struktur der Kanäle K bezüglich des Plattenmittelpunktes sowie folgende wei tere Merkmale auf:

a) jeder Strömungskanal K für Fluid 2 reicht vom Zufuhrraum Z2 bis zum Abfuhrraum A2,
b) alle Kanäle K für Fluid 2 weisen eine identische Gesamtlänge vom Zu fuhrraum Z2 bis zum Abfuhrraum A2 auf,
c) jeder Kanal K für Fluid 2 weist zwei Richtungsumlenkungen um 90° auf,
d) die Strömungskanäle K für Fluid 2 verlaufen vorn Zufuhrraum Z2 zum Ab fuhrraum A2 parallel zueinander,
f) Fluidzufuhrraum Z2 und Fluidabfuhrraum A2 für Fluid 2 verlaufen im we sentlichen über die gesamte Breite des Strömungsfeldes,
g) Fluidzufuhrraum Z1, Z3 und Fluidabfuhrraum A1, A3 für Fluid 1 und für Fluid 3 verlaufen im wesentlichen über die Hälfte der Länge des Strö mungsfeldes,
h) die Strömungskanäle K für Fluid 2 gehen über die gesamte Länge des Fluidzufuhrraums Z2 von diesem aus,
i) die Strömungskanäle K für Fluid 2 münden über die gesamte Länge des Fluidabfuhrraums A2 in diesen.

Eine Anpassung einer bestimmten geforderten mittleren Fluidverweilzeit kann durch eine Verlängerung der Kanallänge unter Beibehaltung der Plattenaußen maße erreicht werden.

Der Druckabfall pro Kanallänge wird nach Gleichung 1 durch die Abmaße des Kanalquerschnitts im wesentlichen definiert. Dabei bestimmt die Länge des Zufuhr- und Abfuhrraumes die Länge der Kanäle bei konstanten Außenmaßen der Platten. Die Verkürzung des Zufuhr- und Abfuhrraumes und damit Verklei nerung des Strömungsquerschnitts führt zu einer leichten Erhöhung des Druckverlustes in diesen Räumen. Da jedoch gleichzeitig der Druckverlust über den ganzen Kanal durch deren Verlängerung entsprechend höher liegt, ist eine homogene Strömungsverteilung vom Zufuhrraum zu den Strömungs kanälen dennoch gegeben.

Das Verhältnis Länge zu Breite des Strömungsplatte bzw. des Strömungsfelds kann den konkreten Erfordernissen angepaßt werden. So ergibt ein hoher Wert für das Verhältnis Länge zu Breite eine erhöhte Homogenität der Strö mung (Propfenströmung).

Das Strömungsprofil erlaubt eine Gegenströmung oder eine Gleichstromfüh rung der Fluide.

Grundsätzlich kann das Verhältnis der Strömungsquerschnitte von Zufuhr raum bzw. Abfuhrraum zu der Summe aller Querschnitte der Strömungskanä le einer Platte mittels Dimensionierung der Länge der Zufuhr- bzw. Abfuhrrau mes angepaßt werden.

Die Strömungskanäle können hergestellt werden, indem in die Oberfläche der Strömungsplatten Vertiefungen eingebracht oder, wie im Fall der Fig. 1, Erhö hungen E aufgebracht werden. In weiteren vorteilhaften Ausführungen werden durch Unterbrechungen in den Erhöhungen Verbindungen zwischen den pa rallelen Kanälen geschaffen. Damit kann ein Konzentrationsausgleich reali siert werden.

Die folgende Tabelle nennt beispielhaft mögliche Materialien und Herstel lungsweise für die Strömungsplatten:

Materialien
mögliche Herstellung der Kanäle
Metalle (Legierungen)	Prägen von Folien
Ätzen der Kanäle
spanabhebende Bearbeitung der Platten
Stanzen der Durchbrechungen
Erodieren der Durchführungen
Metalle mit Oberflächenbehandlung	Oberflächenbehandlung der Metalle mit leitfähigen Substanzen (Leitlack, Sprühgraphit etc.)
die Herstellung der Kanäle und Durchbrechung wird vorzugsweise analog oben durchgeführt
Nichtmetalle	Prägen der Graphitfolien
a) Graphitfolien oder Folien	spanabhebende Bearbeitung der Graphitplatten
Herstellung der Plattengeometrie über eine Form
b) leitfähige Kunststoffe oder Kunststoffkombi-	Spritzgießen der Platten
nation (Composites)	Extrudieren der Platten
spanabhebende Bearbeitung
Stanzen der Platten
c) Elastomerwerkstoffe (elektr. leitfähigkeit)	Extrudieren der Platten/bzw. Folien
Gießen der Platten
Stanzen der Platten

In einer beispielhaften Ausführung werden in einem erfindungsgemäßen Strö mungsmodul für die Strömungskammern der drei Fluide folgende Strömungs felder gewählt:

Kammer für Fluid 1:
Strömungsfeld mit geradlinigen parallelen Kanälen (ohne Umlenkungen), z. B. für das Kühlfluid in einer Brennstoff zelle,
Kammer für Fluid 2:
Strömungsfeld wie in Fig. 1 dargestellt, mit geradlinigen parallelen Kanälen und zwei Umlenkungen, wobei die Gruppe der parallelen Kanäle über die gesamte Breite des Strömungsfelds verläuft; z. B. für den Reaktant in ei ner Brennstoffzelle,
Kammer für Fluid 3:
analog Strömungsfeld für Fluid 2, z. B. für den Oxidant in einer Brennstoffzelle.

Die Integration der Strömungsplatten zu einem Strömungsmodul kann zum Beispiel folgendermaßen erfolgen:
Das Strömungsmodul mit mehreren einseitig oder beidseitig mit Kanälen K versehenen Strömungsplatten wird vorzugsweise über mindestens zwei End platten verpreßt. Hierzu werden zur Verpressung vorteilhafte Schrauben ein gesetzt, die außerhalb oder innerhalb der Strömungsplatten angeordnet sind. Dabei werden die Zuganker Z nach Fig. 1 vorzugsweise in die Strömungsplat ten integriert, oder direkt durch die Durchbrechungen der Zu- und Abfuhrräu me geführt. Die Preßkraft wird in einer weiteren Ausführung auch mittels Bän der aufgebracht, die das Strömungsmodul umschließen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Strömungsplatte für ein 3-Kammerströmungsmodul. Der Unterschied zu der Strömungsplatte nach Fig. 1 ist die Tatsache, daß Fluid zufuhrraum und Fluidabfuhrraum für Fluid 1 sowie die Gruppe der davon ausgehenden bzw. in diese mündenden parallelen Kanäle im wesentlichen ein Drittel der Breite des Strömungsfelds einnehmen. Die Strömungskanäle von Fluid 1, die aus Fig. 2 nicht zu erkennen sind, jedoch analog der Kanäle für Fluid 1 in Fig. 3 aufgebaut sind, weisen einen serpentinenförmigen Verlauf mit vier 90°-Umlenkungen auf. Durch den serpentinenförmigen Verlauf ent steht eine Kanalverlängerung mit der Folge einer Erhöhung der Fluidverweil zeit, die in diesem Maße für entsprechende Anwendungen gefordert wird. Un ter Verwendung dieser dargestellten Strömungsplatte kann vorteilhaft folgen des Strömungsmodul aufgebaut werden:

Kammer für Fluid 1:
Strömungsfeld wie oben beschrieben und analog zu den in Fig. 3 dargestellten Strömungsfeld,
Kammer für Fluid 2:
Strömungsfeld wie in Fig. 2 dargestellt,
Kammer für Fluid 3:
Strömungsfeld analog zu Fig. 2.

Fig. 3 zeigt eine weitere Strömungsplatte für ein 3-Kammerströmungsmodul.

Die Strömungskanäle von Fluid 1 weisen einen serpentinenförmigen Verlauf mit vier 90°-Umlenkungen auf. Durch den serpentinenförmigen Verlauf ent steht eine Kanalverlängerung mit der Folge einer Erhöhung der Fluidverweil zeit. Mit dem dargestellten Strömungsfeld kann das folgende Strömungsmo dul realisiert werden:

Kammer für Fluid 1:
Strömungsfeld wie in Fig. 3 dargestellt,
Kammer für Fluid 2:
Strömungsfeld analog zu Fig. 3,
Kammer für Fluid 3:
Strömungsfeld mit geradlinigen parallelen Kanälen (ohne Umlenkungen).

Fig. 4 zeigt eine weitere Strömungsplatte für ein 3-Kammerströmungsmodul. Mit dem dargestellten Strömungsfeld kann das folgende Strömungsmodul re alisiert werden:

Kammer für Fluid 1:
Strömungsfeld mit geradlinigen parallelen Kanälen (ohne Umlenkungen), z. B. für das Kühlfluid in einer Brennstoff zelle;
Kammer für Fluid 2:
Strömungsfeld gemäß Fig. 4. Es beinhaltet serpentinen förmige Kanalverläufe mit sechs 90°-Umlenkungen. Eine Gruppe paralleler Kanäle überstreicht serpentinenförmig den ganzen Strömungsbereich. Fluidzufuhrraum und Fluid abfuhrraum sowie die Gruppe der davon ausgehenden bzw. in diese mündenden parallelen Kanäle nehmen im wesentlichen die Hälfte der Breite des Strömungsfelds ein;
Kammer für Fluid 3:
analog Strömungsfeld für Fluid 2.

Die Kammern für Fluid 2 und Fluid 3 können bei einer Brennstoffzelle vom Re aktant oder Oxidant durchströmt werden.

Anwendungsbeispiele für 3-Kammerströmungsmodule Beispiel 1 Konventionelle Brennstoffzellenmodul (Fig. 5)

Die meisten Brennstoffzellentechnologien (Brennstoffzelle wird im folgenden auch mit BZ abgekürzt) weisen drei separate Fluidkammern auf, nämlich Re aktanten-, Oxidanten- und Kühlkammer. Jedes Fluid beansprucht separate Kammern mit einem bestimmten Strömungsfeld. Das erfindungsgemäße 3-Kam merströmungsmodul eignet sich deshalb insbesondere für derartige Brennstoffzellenanwendungen. Es kann dabei für Brennstoffzellen mit Feste lektrolyt (z. B. PEM), fixiertem- oder flüssigem Elektrolyten eingesetzt werden.

Die Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Strömungsführung für die drei beteiligten Fluide in deren zugeordneten Strömungskammern in einem Brennstoffzellenstack. Ein Brennstoffzellenstack umfaßt einen Stapel aus ei ner Mehrzahl einzelner Brennstoffzellen. Die obere Skizze zeigt die Stromfüh rung des Oxidanten, z. B. Luft (1. Kammer), die mittlere Skizze die Führung des Kühlfluids (2. Kammer) und die untere Skizze die Führung des Reaktanten (3. Kammer), typischerweise H₂. Die Ziffern 10, 11 bezeichnen die Stackendplat ten. Die Linien 1, 2 parallel zu den Längsseiten des Stacks symbolisieren die Strömung der betreffenden Fluide innerhalb der Zu- und Abfuhrkanäle. Die Li nien 3 symbolisieren die Strömung der betreffenden Fluide durch die Kam mern.

Beispiel 2 Brennstoffzelle mit integriertem Befeuchtermodul und mit Wasser oder wäßrigen Lösung zur Wasserdampfbefeuchtung des Oxidanten und/oder Reaktanten (Fig. 6)

Fig. 6 zeigt die Ausführung eines Brennstoffzellenstacks, bei dem zusätzlich ein in den Stack integriertes Befeuchtermodul vorhanden ist. Der Stack ist so mit unterteilt in Befeuchtermodul und BZ-Modul. Das Befeuchtermodul dient zur Wasserdampfbefeuchtung des Oxidanten (Luft).

Die obere Darstellung zeigt die Stromführung in den Kammern für das erste Fluid (Luft). Die Luft tritt befeuchterseitig ein und durchläuft das Befeuchtermo dul. Dabei wird die eintretende Luft permeatseitig über wasserpermeable Membranen mittels eines Kühlfluids (z. B. Wasser oder wäßriger Lösung), das sich in den Kammern für das zweite Fluid befindet, befeuchtet. Nachfolgend wird der befeuchtete Gasstrom über eine Trennplatte 20 zum BZ-Modul gelei tet. Nach der Durchströmung durch das BZ-Modul tritt der verbrauchte Gas strom brennstoffzellenseitig aus.

Die mittlere Darstellung zeigt die Stromführung in den Kammern für das zwei te Fluid (Kühlfluid). Es durchläuft das BZ-Modul, wird über die Trennplatte 20 zum Befeuchtermodul geleitet, wo es über die erwähnten wasserpermeablen Membranen zur Befeuchtung der Luft dient.

Die untere Darstellung zeigt die Stromführung in den Kammern für das dritte Fluid (Reaktant). Durch das Vorhandensein der Trennplatte 20 zwischen BZ-Mo dul und Befeuchtermodul strömt es nur innerhalb des BZ-Moduls.

Beispiel 3 Membranmodul (Fig. 7)

Ein erfindungsgemäßes 3-Kammerströmungsmodul kann auch Anwendung für Membrandestillationsprozesse finden. Dabei (Fig. 7, untere Darstellung zeigt eine einzelne Zelle) diffundiert Dampf (erstes Fluid) über eine Membrane von der Feedseite (Feedkammer) zur Permeatseite (Permeatkammer). Perme atseitig wird dann der Dampf (2. Fluid) an einer kalten Wand kondensiert, die durch ein durchströmendes Kühlfluid (3. Fluid) temperiert wird. Diese Kühl kammer ist benachbart zur Permeatkammer angeordnet.

Die Strömungsführung der einzelnen Fluide bei einem Stack aus mehreren Einzelzellen ist in den drei oberen Darstellungen gezeigt.

4-Kammerströmungsmodul

Das 4-Kammerströmungsmodul besteht aus Kammern für die Aufnahme von vier Fluiden. Dabei können die Kammern für die einzelnen Fluide beliebig an geordnet bzw. aneinandergereiht werden. Für jede Kammer ist mindestens ein Zufuhr- und ein Abfuhrraum vorgesehen. Von den Zufuhr- und Abfuhrräu men besteht ein direkter Zugang für die Fluide zu den Kanälen der Strö mungsplatte.

Wesentlicher Unterschied zwischen 3- und 4-Kammerströmungsmodul hin sichtlich der Strömungsplatten ist die Tatsache, daß nun entlang jeder Kanten länge des rechteckigen Strömungsfelds genau zwei Zufuhr- oder Abfuhrräu me vorhanden sind. Ansonsten entsprechen die Strömungsfelder der 4-Kam merströmungsmodule denjenigen der 3-Kammerströmungsmodule.

Fig. 8 zeigt eine Strömungsplatte für ein 4-Kammerströmungsmodul. Die Strö mungskanäle für Fluid 2 weisen jeweils zwei 90°-Umlenkungen auf. Dadurch wird eine sehr kurze Kanallänge erzielt.

Fig. 9 zeigt eine weitere Strömungsplatte für ein 4-Kammerströmungsmodul. Die Strömungskanäle für Fluid 2 weisen hier einen serpentinenförmigen Ver lauf mit genau sechs 90°-Umlenkungen auf.

Unter Verwendung dieser Strömungsfelder können folgende 4-Kammerströ mungsmodule realisiert werden:

Modul 1

Kammer für Fluid 2 und 3:
Strömungsfeld gemäß

Fig.

8 mit zwei 90°-Umlen kungen,
Kammer für Fluid 1 und 4:
Strömungsfeld mit vier 90°-Kanalumlenkungen, wo bei die Kanäle einen serpentinenförmigen Verlauf aufweisen.

Modul 2

Kammer für Fluid 2 und 3:
Strömungsfeld gemäß

Fig.

9 mit sechs 90°-Umlen kungen,
Kammer für Fluid 1 und 4:
Strömungsfeld mit vier 90°-Kanalumlenkungen, wo bei die Kanäle einen serpentinenförmigen Verlauf aufweisen.

Anwendungsbeispiele für 4-Kammerströmungsmodule Beispiel 4 Brennstoffzellen-Stack mit flanschseitiger Luftkühlung und stackin tegrierter Befeuchtung (Fig. 10)

Bei dieser Anwendung besteht das 4-Kammerströmungsmodul aus dem Brennstoffzellenmodul (Stapel einzelner Brennstoffzellen) sowie Kühlermodul und Befeuchtermodul. Aufgabe der Anordnung ist es, den Oxidanten (Luft), der bei der Einleitung in das Modul komprimiert und dabei erwärmt wurde, zuerst abzukühlen, dann zu befeuchten und anschließend dem Brennstoffzel lenmodul zuzuführen. Die Brennstoffzellen können z. B. vom Typ Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM) sein.

Die Strömungsführung für Oxidanten (oben), Kühlfluid (Mitte) und Reaktanten (unten) sind im einzelnen in den Darstellungen der Fig. 10 abgebildet.

Das Kühlfluid (mittlere Darstellung), das zunächst das Brennstoffzellenmodul durchströmt hat, wird vom BZ-Kühlfluidaustritt des BZ-Moduls zum Kühlermo dul geführt. Ausgehend vom Kühlermodulaustritt wird das Kühlfluid mittels Umlenkplatte 22 auf die Kammern für das vierte Fluid zum Befeuchtermodul um geleitet. Daß es sich hier um verschiedene Kammern handelt, ist in der Fig. 10, mittlere Darstellung derart dargestellt, daß die horizontalen Linien im Befeuchter-Modul gegenüber denen im Brennstoffzellenmodul und Kühlermo dul parallel versetzt sind. Die Kammern stehen also mit unterschiedlichen Zu- und Abfuhrkanälen in Verbindung. Nach der Befeuchtung der Luft mit dem er wärmten Kühlfluid wird das Kühlfluid über eine Austrittsplatte 21 aus dem Stack geführt.

Der Oxidant (obere Darstellung) wird nacheinander vom Kühlmodul über Be feuchtermodul mittels entsprechender Plattendurchbrechungen der Umlenk platte zum BZ-Modul geleitet.

Der Reaktant (untere Darstellung), z. B. H₂, wird brennstoffzellenseitig oder kühlmodulseitig in den Stack eingeführt und in die Brennstoffzellen des BZ-Mo duls geführt.

Im einzelnen ergeben sich somit folgende beispielhaften Belegungen für die einzelnen Kammern (generell sind beliebige Kombinationen von Kammern und Fluiden möglich):

Kammern für Fluid 1:
Oxidant der Brennstoffzelle, der darin gekühlt und befeuchtet sowie im BZ-Modul an die Brennstoffzel lenmembranen hingeführt und abgeführt wird,
Kammern für Fluid 2:
Kühlfluid, das darin zur Kühlung der Brennstoffzelle sowie anschließend zur Kühlung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient,
Kammern für Fluid 3:
Kühlfluid (nach Umleitung mittels der Umlenkplatte 22), das darin zur Befeuchtung des sich in den Kam mern für das erste Fluid befindlichen gekühlten Oxi danten dient,
Kammern für Fluid 4:
Reaktant der Brennstoffzelle.

Beispiel 5 Brennstoffzellen-Stack mit flanschseitiger und stackintegrierter Luft befeuchtung sowie stackintegrierter Luftkühlung (Fig. 11)

In dieser Ausführung durchströmt das Kühlfluid das BZ-Modul, durch die Trennplatte 20 hindurch in das Kühlermodul und anschließend in das Be feuchtermodul, bevor es aus dem Stack austritt (mittlere Darstellung).

Die Luft (obere Darstellung) hingegen tritt zuerst in das Kühlermodul ein, und wird dann zum Befeuchtermodul geleitet. Über eine Umlenkplatte 22 zwischen Kühlermodul und Befeuchtermodul wird die Luft auf die Kammern für das vier te Fluid und darin zum BZ-Modul geführt.

Der Reaktant (untere Darstellung) wird analog Beispiel 4 geführt.

Im einzelnen ergeben sich somit beispielhaft folgende Belegungen für die ein zelnen Kammern:

Kammern für Fluid 1:
Oxidant der Brennstoffzelle, der darin gekühlt wird,
Kammern für Fluid 2:
gekühlter Oxidant (nach Umleitung mittels der Um lenkplatte 22), der darin befeuchtet wird sowie an schließend im BZ-Modul an die Brennstoffzellen membran hingeführt und abgeführt wird,
Kammern für Fluid 3:
Kühlfluid, das darin zur Kühlung der Brennstoffzelle sowie anschließend zur Kühlung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient, sowie anschließend zur Befeuchtung des sich in den Kammern für das zweite Fluid befindlichen Oxidanten dient,
Kammern für Fluid 4:
Reaktant der Brennstoffzelle.

Beispiel 6 Brennstoffzellen-Stack mit stackintegrierter Luftbefeuchtung mittels produktwasserbeladenem verbrauchten Brennstoffzellen-Luftstrom (Fig. 12)

Der zu befeuchtende Luftstrom (obere Darstellung) strömt durch einen Zufuhr kanal des BZ-Moduls zum Befeuchtermodul. Dort wird der eintretende Luft strom über wasserpermeable Membranen feedseitig mittels dem aus den Brennstoffzellen austretendem und produktwassergesättigtem Luftstrom be feuchtet. Anschließend durchläuft der befeuchtete Luftstrom eine Umlenkplatte 22, die den Luftstrom in einen neuen Fluidzufuhrraum für die 4. Kammer des 4-Kammerströmungsmoduls lenkt. In den Brennstoffzellen innerhalb des BZ-Mo duls reichert sich die Luft anschließend mit Produktwasser bis zur Sätti gung an und wird zum Befeuchtermodul geleitet. Nach der Befeuchtung der Frischluft tritt die verbrauchte Luft befeuchterseitig aus dem Stack.

Im einzelnen ergeben sich somit beispielhaft folgende Belegungen für die einzelnen Kammern:

Kammern für Fluid 1:
Oxidant der Brennstoffzelle, der darin befeuchtet wird,
Kammern für Fluid 2:
befeuchteter Oxidant (nach Umleitung mittels der Umlenkplatte 22), der darin an die Brennstoffzellen membranen im BZ-Modul hingeführt und abgeführt wird sowie anschließend zur Befeuchtung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxi danten dient,
Kammern für Fluid 3:
Kühlfluid zur Kühlung der Brennstoffzelle,
Kammern für Fluid 4:
Reaktant der Brennstoffzelle.

In einer alternativen Ausführung (untere Darstellung der Fig. 12) tritt der Luft strom befeuchterseitig ein und durchläuft anschließend das Brennstoffzellen modul.

Mit dieser Anordnung, die u. a. eine stackintegrierte Luft (O₂)-Befeuchtung ver wirklicht, kann auf ein Flüssigfluidkreislauf zur Wasserdampfbefeuchtung ver zichtet werden. Dadurch wird eine für mobile Anwendung erforderliche frost schutzsichere Brennstoffzelle erzielt. Als Kühlfluid für die Brennstoffzellen wer den frostschutzsichere Fluide eingesetzt.

Im einzelnen ergeben sich bei dieser Ausführung beispielhaft folgende Bele gungen für die einzelnen Kammern:

Kammern für Fluid 1:
Oxidant der Brennstoffzelle, der darin befeuch tet sowie anschließend an die Brennstoffzellen membranen im BZ-Modul hingeführt und abge führt wird,
Kammern für Fluid 2:
Brennstoffzellenabluft (nach Umleitung mittels der Umlenkplatte), die darin zur Befeuchtung des sich in der ersten Kammer befindlichen Oxi danten der Brennstoffzelle dient,
Kammern für Fluid 3:
Kühlfluid zur Kühlung der Brennstoffzelle,
Kammern für Fluid 4:
Reaktant der Brennstoffzelle.

In analoger Weise wird auch kann anstatt des Oxidanten der in den Stack ein tretende Reaktant befeuchtet werden.

Beispiel 7 Brennstoffzellen-Stack mit stackintegrierter Luftbefeuchtung mittels produktwasserbeladenem verbrauchtem Brennstoffzellen-Luftstrom sowie stackintegrierter Luftkühlung (Fig. 13)

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für ein 4-Kammerströmungsmodul zeigt

Fig. 13. Zusätzlich zu der in Fig. 12 gezeigten Ausführung wird die Luft unmit telbar nach Eintritt in das Modul in einem Kühlermodul gekühlt (obere Darstel lung). Die Kühlung erfolgt durch das Kühlfluid (mittlere Darstellung), nachdem dieses das Brennstoffzellenmodul verlassen hat.

Im einzelnen ergeben sich bei dieser Ausführung beispielhaft somit folgende Belegungen für die einzelnen Kammern:

Kammern für Fluid 1:
Oxidant der Brennstoffzelle, der darin gekühlt sowie anschließend befeuchtet wird,
Kammern für Fluid 2:
abgekühlter und befeuchteter Oxidant (nach Umleitung mittels der Umlenkplatte 22), der dar in an die Brennstoffzellenmembran im BZ-Mo dul hingeführt und abgeführt sowie anschlie ßend zur Befeuchtung des sich in den Kam mern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient,
Kammern für Fluid 3:
Kühlfluid, das darin zur Kühlung der Brennstoff zelle sowie anschließend zur Kühlung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient,
Kammern für Fluid 4:
Reaktant der Brennstoffzelle.

Zusammenhänge Druckverlust in ebenen Kanälen

Druckverlust in ebenen Kanälen

laminare Strömung nach DORNISCH

turbulente Strömung Re < 2320 nach Blasius

l: Kanallänge
ρ: Fluiddichte
V: mittlere Geschwindigkeit
d_h: hydraulischer Durchmesser
ψ: Widerstandszahl
a: Kanalbreite
b: Kanaltiefe
ν: kinetische Viskosität

Druckverluste in Umlenkungen
allgemein:

ζ: Widerstandsbeiwert
D: Krümmungsdurchmesser
d: Rohrdurchmesser bzw. hydraulischer Durchmesser

für Re.(d/D)² < 80

für Re(d/D)² < 80-10⁵

für θ = 45°: (11) ϕ = 1+14,2(d/D)^1,47
für θ = 90°: (12) ϕ = 0,95+17,2(d/D)^1,96 mit D/d < 19,7
(13) ϕ = 1 mit D/d < 19,7
für θ = 180°: (14) ϕ = 1+116(d/D)^4,52

Claims

1. Strömungsmodul, insbesondere Brennstoffzelle, mit einseitig oder beid seitig mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen (K) strukturierten Strö mungsplatten, zwischen denen Strömungskammern für drei oder vier Flui de gebildet sind, wobei

- pro Kammer mindestens ein Fluidzufuhrraum (Z1-Z4) und ein Fluidab fuhrraum (A1-A4) vorhanden ist,
- die Strömungskanäle (K) innerhalb einer Kammer zueinander parallel sind, und jeweils einen der Fluidzufuhrräume (Z1-Z4) mit einem der Fluidabfuhrräume (A1-A4) verbinden, wobei die Strömungskanäle (K) die gleiche Länge aufweisen, und
- die Gesamtheit der Strömungskanäle (K) einer Kammer ein rechtecki ges Strömungsfeld bilden, welches bezüglich seines Mittelpunkts Punktsymmetrie aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- jeder Fluidzufuhrraum (Z1-Z4) und jeder Fluidabfuhrraum (A1-A4) sich zumindest über ein Viertel der Kantenlänge des Strömungsfelds erstreckt,
- die Strömungskanäle (K) über die gesamte Länge des Fluidzufuhr raums (Z1-AZ) von diesem ausgehen, und
- die Strömungskanäle (K) über die gesamte Länge des Fluidabfuhr raums (A1-A4) in diesen münden,
- die Strömungskammern für mindestens eines der Fluide zwei, jedoch maximal sechs Umlenkungen aufweisen.

2. Strömungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsänderung an allen Umlenkungen jeweils 90° beträgt.

3. Strömungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (K) unter einem Winkel von 90° von dem Fluidzufuhrraum (Z1-Z4) ausgehen und unter einem Winkel von 90° in den Fluidabfuhrraum (A1-A4) münden.

4. Strömungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Fluidzufuhrräumen (Z1-Z4) und den Fluid abfuhrräumen (A1-A4) Streben (S) zur mechanischen Stabilisierung vor handen sind.

5. Verwendung des Strömungsmoduls mit Strömungskammern für drei Flui de nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Brennstoffzellenstack mit stack integrierter Befeuchtung des Oxidanten und/oder Reaktanten.

6. Verwendung des Strömungsmoduls mit Strömungskammern für drei Flui de nach einem der vorangehenden Ansprüche als Membrandestillations vorrichtung.

7. Verwendung des Strömungsmoduls mit Strömungskammern für vier Flui de nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 als Brennstoffzel lenstack mit stackintegrierter Kühlung und Befeuchtung des Oxidanten, wobei
die Kammern für das erste Fluid von dem Oxidanten der Brennstoffzelle durchströmt werden, der darin gekühlt und befeuchtet sowie an die Brenn stoffzellenmembran hingeführt und abgeführt wird,
die Kammern für das zweite Fluid von einem Kühlfluid durchströmt wer den, das darin zur Kühlung der Brennstoffzelle sowie anschließend zur Kühlung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxidan ten dient,
die Kammern für das dritte Fluid von dem Kühlfluid durchströmt wird, das darin zur Befeuchtung des sich in den Kammern für das erste Fluid befind lichen gekühlten Oxidanten dient,
die Kammern für das vierte Fluid von dem Reaktanten der Brennstoffzelle durchströmt werden.

8. Verwendung des Strömungsmoduls mit Strömungskammern für vier Flui de nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 als Brennstoffzel lenstack mit stackintegrierter Kühlung und Befeuchtung des Oxidanten, wobei
die Kammern für das erste Fluid von dem Oxidanten der Brennstoffzelle durchströmt werden, der darin gekühlt wird,
die Kammern für das zweite Fluid von dem gekühlten Oxidanten durch strömt wird, der darin befeuchtet wird sowie anschließend an die Brenn stoffzellenmembran hingeführt und abgeführt wird,
die Kammern für das dritte Fluid von einem Kühlfluid durchströmt werden, das darin zur Kühlung der Brennstoffzelle sowie anschließend zur Küh lung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient, sowie anschließend zur Befeuchtung des sich in den Kammern für das zweite Fluid befindlichen Oxidanten dient,
die Kammern für das vierte Fluid von dem Reaktanten der Brennstoffzelle durchströmt werden.

9. Verwendung des Strömungsmoduls mit Strömungskammern für vier Flui de nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 als Brennstoffzel lenstack mit stackintegrierter Befeuchtung des Oxidanten, wobei
die Kammern für das erste Fluid von dem Oxidanten der Brennstoffzelle durchströmt werden, der darin befeuchtet wird,
die Kammern für das zweite Fluid von dem befeuchteten Oxidanten durch strömt werden, der darin an die Brennstoffzellenmembran hingeführt und abgeführt wird sowie anschließend zur Befeuchtung des sich in den Kam mern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient,
die Kammern für das dritte Fluid von einem Kühlfluid zur Kühlung der Brennstoffzelle durchströmt werden,
die Kammern für das vierte Fluid von dem Reaktanten der Brennstoffzelle durchströmt werden.

10. Verwendung des Strömungsmoduls mit Strömungskammern für vier Flui de nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 als Brennstoffzel lenstack mit stackintegrierter Befeuchtung des Oxidanten, wobei
die Kammern für das erste Fluid von dem Oxidanten der Brennstoffzelle durchströmt werden, der darin befeuchtet wird sowie anschließend an die Brennstoffzellenmembran hingeführt und abgeführt wird,
die Kammern für das zweite Fluid von der Brennstoffzellenabluft durch strömt wird, die darin zur Befeuchtung des sich in der ersten Kammer be findlichen Oxidanten der Brennstoffzelle dient,
die Kammern für das dritte Fluid von einem Kühlfluid zur Kühlung der Brennstoffzelle durchströmt werden,
die Kammern für das vierte Fluid von dem Reaktanten der Brennstoffzelle durchströmt werden.

11. Verwendung des Strömungsmoduls mit Strömungskammern für vier Flui de nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 als Brennstoffzel lenstack mit stackintegrierter Kühlung und Befeuchtung des Oxidanten, wobei
die Kammern für das erste Fluid von dem Oxidanten der Brennstoffzelle durchströmt werden, der darin gekühlt wird sowie anschließend befeuch tet wird,
die Kammern für das zweite Fluid von dem abgekühlten und befeuchteten Oxidanten durchströmt werden, der darin an die Brennstoffzellenmembran hingeführt und abgeführt wird sowie anschließend zur Befeuchtung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient,
die Kammern für das dritte Fluid von einem Kühlfluid durchströmt werden, das darin zur Kühlung der Brennstoffzelle sowie anschließend zur Küh lung des sich in den Kammern für das erste Fluid befindlichen Oxidanten dient,
die Kammern für das vierte Fluid von dem Reaktanten der Brennstoffzelle durchströmt werden.