Kontrollierte elektrochemische Energieumwandlung durch oberflächennahe Strömungsbeeinflussung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Cierpka
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239325001

Aufgrund der steigenden Weltbevölkerung und des Aufschwungs der Schwellenländer nimmt der weltweite Energiebedarf ständig zu. Dieser Energiebedarf soll zunehmend aus regenerativen Energiequellen gedeckt werden. Für nicht kontinuierlich verfügbare Energieträger wie Sonnenlicht und Windkraft spielt die Energiespeicherung und damit die elektrochemische Energieumwandlung im Rahmen der Brennstoffzellentechnik eine signifikante Rolle. Die elektrochemische Energieumwandlung findet dabei immer an der Elektrodenoberfläche statt, wodurch mikrofluidische Systeme besonders geeignet erscheinen, da hier das Verhältnis von benetzter Oberfläche zum Volumen stark gesteigert werden kann. Durch die Parallelisierung solcher Mikrobrennstoffzellen und Elektrolysezellen lassen sich Einheiten mit quasi beliebiger Leistung erzeugen. Ziel des Antrages ist es die Effizienz der elektrochemischen Energieumwandlung durch wandnahe Strömungskontrolle zu steigern und die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse aufzuklären, um zukünftige Systeme optimieren zu können. Dazu sollen zeitlich und räumlich hochaufgelöste experimentelle Untersuchungen der Geschwindigkeits- und Skalarfelder (Temperatur, pH-Wert, Druck) in ein- und mehrphasigen Mikroströmungen durch das erweiterte 3D Astigmatismus PTV beitragen. Der Fokus der Arbeiten liegt dabei auf der gezielten Beeinflussung der wandnahen Konvektionsströmung durch elektromagnetische Volumenkräfte für Mehrphasensysteme und der Beeinflussung einphasiger Systeme durch passive Sekundärströmungen.Ein Ziel des Folgeantrages ist es eine mikrofluidische Brennstoffzelle herzustellen und zu charakterisieren, in welcher Brennstoff und Oxidant ohne konvektive Vermischung strömen und so die Membran eingespart werden kann. Die Effizienz der Brennstoffzelle soll durch Sekundärströmungen gesteigert werden, welche die Verarmungsschichten an den Elektroden abbauen und frischen Reaktand an die Elektroden bringen.Ein weiteres Ziel ist es die Umströmung bei der Wasserstoffelektrolyse auf einer makroskopischen Elektrode inklusive des Temperaturfeldes zu bestimmen und mit und ohne Beeinflussung durch Lorentzkräfte hochaufgelöst zu messen, um zum einen zu klären inwieweit die durch die Temperatur- und Konzentrationsgradienten entstehende Marangoniströmung die Blasenablösung beeinflusst und welchen Effekt die Lorentzkraft auf den Abtransport und das Blasenwachstum hat.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen