Anlass eines vor kurzem abgeschlossenen Forschungsvorhabens des ZBT war das vermehrte Interesse in der Brennstoffzellenentwicklung, die komplizierten strömungsmechanischen Zusammenhänge in den kleinen Kanälen der Bipolarplatten zu verstehen. Die verschiedenen Oberflächen und Benetzungseigenschaften (Kanalwände und Gasdiffussionslage) im Zusammenspiel mit den aus den elektro-chemischen Prozessen entstehenden Mehrphasenströmungen bilden ein strömungsmechanisches System, welches noch nicht in Gänze durchdrungen ist. Es ist jedoch allgemeiner Stand der Erkenntnis, dass bei dem Design der Flow-Fields in den Bipolarplatten Optimierungsbedarf besteht. Bisher stand keine Messtechnik zur Verfügung, die es erlaubt, die strömungsmechanischen Prozesse in den Mikrokanälen unter Realbedingungen in situ zu vermessen und mit der instantanen Zellleistung zu korrelieren.
Prinzipiell können Strömungen in Mikrostrukturen mittels der Mikro-Partikel-Image-Velocimetry (µPIV) vermessen und analysiert werden. Bei dieser Methode werden kleine Partikel in die zu untersuchende Strömung eingebracht. Diese Partikel müssen so geartet sein, dass sie der Strömung folgen können und optisch detektierbar sind. Die Partikel werden mit Laserlicht beleuchtet und ihre Bewegung in der Beobachtungsebene mittels einer Kamera aufgenommen. Die Partikelbewegung wird anschließend mittels Korrelationsverfahren in ein Geschwindigkeitsfeld umgerechnet. Diese Methode wird für flüssige Strömungen in Mikrostrukturen bereits angewendet.
Ziel des Projekts war es daher, die µPIV-Methode in der Art weiterzuentwickeln, dass eine Analyse der lokalen Geschwindigkeitsverteilung einer Gasströmung in einem Mikrokanal ermöglicht wird. Darüber hinaus sollte als zweites Ziel des Projekts eine solche Messung unter den erschwerten Bedingungen einer betriebenen Brennstoffzelle in den Mikrokanälen einer Zelle durchgeführt werden.
Um diese Ziele zu erreichen, wurden verschiedene Verfahren und Materialen systematisch getestet, um die für eine µPIV-Messung notwendigen fluoreszierenden Partikel in ausreichender Größe, Anzahl und Fluoreszenzintensität zu erzeugen und für eine Messung in Mikrokanälen bereitzustellen. Die notwendigen Maßnahmen zur Kopplung des Partikelerzeugungssystems an die Messzellen wurden erarbeitet und die Prozeduren für eine erfolgreiche µPIV-Messung in einer Mikrogasströmung ermittelt (siehe Abbildung). Es wurden Demonstrationsmessungen in Mikrokanalströmungen unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt und validiert. Darüber hinaus wurde die µPIV-Technik erfolgreich an Brennstoffzellenmodellen und betriebenen Brennstoffzellen unter Realbedingungen eingesetzt. Die Ergebnisse wurden zur Validierung numerischer Strömungssimulationen und zur Optimierung des Bipolarplattendesigns genutzt. Darüber hinaus offenbarten die in-situ µPIV Messungen bei gleichzeitiger Leistungsmessung neue, unbekannte Phänomene bei der Ausbildung von Mehrphasenströmungen. So konnte gezeigt werden, dass die Kanalversperrung durch CO2-Blasen auf der Anodenseite einer DMFC zu einer Leistungssteigerung der Zelle führt. Auf der Kathodenseite lagert sich das Reaktionsprodukt Wasser als Film an den Kanalwänden an. Eine Kanalversperrung konnte hier nicht beobachtet werden (siehe Abbildung). Die Zusammenhänge zwischen der Zellleistung und der Ausbildung von Mehrphasenströmungen in Brennstoffzellen sind im Detail weiterhin nicht vollständig verstanden. Es steht aber mit der (weiterentwickelten) µPIV-Technik eine Methode zur Verfügung, um diese Zusammenhänge zu analysieren.
Publikationen zum Vorhaben (Auszug):
