AiF-FV-Nummer 16338 N

Weiterentwicklung des Mikro-Particle Image Velocimetry Analyseverfahrens zur Charakterisierung von Gasströmungen als neuartige Entwicklungsmethodik für Brennstoffzellen


Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.12.2009 bis 30.04.2012

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Anlass des Forschungsvorhabens war das vermehrte Interesse in der Brennstoffzellenforschung, die komplizierten strömungsmechanischen Zusammenhänge in den kleinen Kanälen der Bipolarplatten zu verstehen. Die verschiedenen Oberflächen und Benetzungseigenschaften (Kanalwände und Gasdiffusionslage) im Zusammenspiel mit den aus den elektrochemischen Prozessen entstehenden Mehrphasenströmungen bilden ein strömungsmechanisches System, welches noch nicht in Gänze verstanden ist. Es ist jedoch allgmeiner Stand der Erkenntnis, dass hier bei dem Design der Flow-Fields in den Bipolarplatten Optimierungsbedarf besteht. Bisher stand keine Messtechnik zur Verfügung, dies es erlaubt, die strömungsmechanischen Prozesse in den Mikrokanälen unter Realbedingungen in situ zu vermessen und mit der instantanen Zellleistung zu korrelieren, Ziel des Projektes war es daher, die Methode der Mikro-Partikel-Image-Velocimetry (µPIV) 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 Mikrokanälen einer Zelle durchgeführt werden. Um diese Ziele zu erreichen, wurden verschiedenen Verfahren und Materialien 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. 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 in-situ µPIV-Messungen bei gleichzeitiger Leistungsmessung neue, unbekannte Phänomene bei der Ausbildung von Mehrphasenströmungen, die weiteren Forschungsbedarf offenbarten. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente