Passives Gasblasen-Management in mikrofluidischen Systemen auf Basis des Channel-in-Channel (CHIC) Konzepts und ähnlicher Verfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Mikrofluidik befasst sich mit mikromechanischen Strukturen in welchen Flüssigkeiten und Gase transportiert werden. Diese werden beispielsweise in medizinischen Diagnostiksystemen, Brennstoffzellen oder Mikroreaktoren angewandt. Ein Problem bei diesen Systemen ist, dass Gasblasen kleine Flüssigkeitskanäle (<1mm) verstopfen und den Betrieb damit erheblich stören können. Grund für das Verstopfen der Kanäle ist der mit der Miniaturisierung steigende Kapillardruck an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gasblasen, Das vorliegende Projekt befasste sich mit der Fragestellung, wie einerseits das Verstopfen im Detail zustande kommt und wie andererseits der Kapillardruck zur Kontrolle der Blasen genutzt werden kann. Letztlich sollten Konzepte erforscht werden wie Gasblasen durch passiv also ohne externe Kräfte nur durch den Kapillardruck aus Mikrosystemen entfernt werden können. Als Beispielsystem wurde eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) gewählt. Bei dieser entstehen während des Betriebs ununterbrochen Gasblasen, welche aus dem System entfernt werden müssen. Die Fragestellung sollte durch einen effizienten Einsatz von Modellen aus dem Bereich der numerischen Strömungssimulationen (CFD) welche die Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Gas und die dort herrschenden Kräfte richtig berücksichtigen bearbeitet werden. Durch eine vertiefte Literaturrecherche und erste Berechnungen konnten mögliche für den Widerstand von Gasblasen in Mikrosystemen verantwortliche Effekte identifiziert werde. Es sind durch Heterogenitäten (Reibung, Schmutz) und erhöhte Scherspannung resultierende Kräfte an der Kontaktlinie wo Flüssigkeit und Gas und Festkörper aufeinander treffen sowie Veränderungen in den Kanalquerschnitten. Für die passive Kontrolle von Gasblasen wurden die aus Vorarbeiten bekannten Strukturen detaillierter untersucht. Durch Experimente mit Gasblasen in konisch sich öffnenden Kanälen konnte das im Projekt verwendete Finite Volumen Modell validiert werden. Dabei wurde klar, dass die Dynamik nicht richtig wiedergegeben wird was auf das Fehlen von Modellen für die Kontaktlinieneffekte zurückgeführt werden konnte. In der Folge wurde ein analytisches Modell, welches Kontaktlinieneffekte berücksichtigt, entwickelt, womit sich das Verhalten von Gasblasen in konischen Kanälen für den durch die Experimente validierten Parameterbereich bestimmen lässt. Im T-förmigen Kanal werden Gasblasen durch Kapillarkräfte von der Flüssigkeit getrennt. Es wurde nun ein vollständiges analytisches Modell für die Vorhersage der Effizienz diese Trennung entwickelt und mit Hilfe der CFDSimulationen validiert. Basierend auf dem T-förmigen Kanal und dem konischen Kanal wurden fluidische Verteilerstrukturen für die Anode der DMFC entworfen und in Simulationen sowie Experimenten erprobt. Dabei konnte über die Entfernung der Gasblasen aus dem Methanolgemisch hinaus ein gasblasengetriebenes Pumpen des Brennstoffes gezeigt werden. Es konnte gezeigt werden, dass durch Kapillarkräfte der entstehenden Blasen gepumpt werden kann und dieses durch die Kontaktlinienkräfte kontrolliert werden kann. Für die Verbindung der Brennstoffzelle zum Reservoir wurde der T-förmige Kanal zum Stern-Kanal weiterentwickelt. Dabei werden Gasblasen vom umgebenden Fluid getrennt und in der Mitte des Kanals fixiert. Es konnte gezeigt werden dass durch die minimierte Kontaktlinie senkrecht zur Bewegungsrichtung die Rückhaltekräfte an der Kontaktlinie für Gasblasen in geschlossenen Leitungen minimiert werden können. Während des Projektes ergab sich die Fragestellung, ob ähnliche strukturelle Prinzipien wie für den Blasenaustrag auch zum Entfernen von Wassertropfen aus den Kathoden von Brennstoffzellen benutzt werden können. Durch Berechnungen wurde erkannt, dass eine durch Kapillarkräfte bedingte Bewegung von Tropfen nur mit benetzenden Materialien in Frage kommt da für nichtbenetzende Materialien die Kontaktlinienkräfte zu groß sind Dazu wurde erfolgreich ein neues Kanalsystem entwickelt welches durch ein konisches Profil Tropfen von der Gasdiffusionsschicht hebt. Basierend auf der Kanalform wurde ein kapillares Wassermanagementsystem für Brennstoffzellen entworfen und getestet. Dabei und bei den Untersuchungen zu Gasblasen wurde eine neue kompakte Methode zur Analyse von passiv kapillar getriebenen Systemen erforscht. Die erzielten Ergebnisse zur Funktionalität des passiven Blasentransports im konischem, dem T-Kanal und dem Sternschlauch werden direkt Einzug in angewandte Folgeprojekte beim Antragssteller finden. Folgeprojekte sind z.B. die Entwicklung eines Direktmethanolbrennstoffzellensystems mit passivem Transport für die maritime Hochseenavigation welches in Kooperation von IMTEK und HSGIMIT sowie mit vier weiteren Projektpartnern gestartet wurde (Prolnno Projekt NavalDMFC), sowie Projektvorhaben zur Auslegung von MikroStrukturen für Wärmeübertrager mit Phasenübergang und zur Auslegung von Elektrotyseuren zur Gewinnung von solarem Wasserstoff in Zusammenarbeit von IMTEK und Fraunhofer ISE eingehen. Die entstandenen1 analytischen Modelle werden Einzug in geplante Projekte zur kompakten Modellierung von mikrofluidischen Systemen erhalten. Die kompakte Methode zur Analyse kapillar getriebener mikrofluidischer Systeme wird für vielfältige Entwicklungsfragestellungen verwendet werden, so z.B. für kapillare Teststreifen. Der Sternkanal wurde als Schlauch realisiert wobei eine Weiterentwicklung mit dem Ziel, diese als Anschlussleitung für Brennstoff aber auch Druckerreservoire zu verwenden, angedacht ist. Ein Aufgreifen der Ergebnisse auch durch andere Anwender ist zu erwarten. Ein wesentlicher Forschungsbedarf wurde in der Modellierung von Kontaktlinieneffekten festgestellt. Die vielfältigen Effekte die sich hierbei bei verschiedenen Materialien abspielen bedürfen einer umfangreichen Klassifikation und müssen Niederschlag in CFD Modellen finden um in zukünftigen Forschungen standardmäßig berücksichtigt werden zu können. Weiter gibt es einen großen Bedarf für die Berechnung von Phasenübergängen in CFD Modellen. Diese Prozesse sind einerseits numerisch nicht einfach zu implementieren und andererseits physikalisch komplex. Andererseits ist Ihre Vorhersage für das Verhalten von mikrofluidischen Systemen notwendig, da sich dort schon durch geringe Energieeinträge das Phasengleichgewicht stark ändern kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- C. Litterst, S, Eccarius, C. Hebung, R. Zengerle, and P. Koltay, "Novel Structure for Passive CO2 Degassing in uDMFC," in Proceedings of the 19th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, MEMS 2006, Istanbul, Turkey 2006, pp. 102-105.
- C. Litterst, S. Eccarius, C. Hebung, R. Zengerle, and P. Koltay, "Increasing uDMFC efficiency by passive CO2 bubble removal and discontinuous operation," J. Micromech. Microeng., vol. 16, no. 9, p. S248-S253, Aug.2006.
- C. Litterst, T. Metz, R. Zengerle, and P. Koltay, "Static and dynamic behaviour of gas bubbles in T-shaped micro channels," Microfluidics and Nanofluidics, 2008.
- N. Paust, C. Litterst, T. Metz, M. Eck, R. Zengerle, and P. Koltay, "Capillary driven fuel supply in direct methanol fuel cells with double tapered t-shaped channel flow fields," in Proceedings of PowerMEMS 2007 Freiburg, Germany: 2007, pp. 185-188.
- N. Paust, C. Litterst, T. Metz, R. Zengerle, and P. Koltay, "Fully passive degassing and fuel supply in direct methanol fuel cells," in Proceedings of the 21st IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, MEMS Tucson, USA: 2008, pp. 34-37.
- N. Paust, C. Litterst, T. Metz, R. Zengerle, and P. Koltay, "Gasblasengetriebene Pumpe für Mikroreaktoren,". VDI-VDE-IT, Ed. VDE Verlag, 2007, pp. 481-484.
- T. Metz, L. Riegger, R. Zengerle, and P. Koltay, Pressure characteristics modelling for the rapid design of capillary microfluidic systems, Proc. of. MicroTas 2008, San Diego, USA: 2008,' accepted
- T. Metz, N. Paust, C, Müller, R. Zengerle, and P. Koltay, "Passive water removal in fuel celts by capillary droplet actuation," Sensors & Actuators: A. Physical, 2007.
- T. Metz, N. Paust, C. Müller, R. Zengerle, and P. Koltay, "Micro structured flow field for passive water management in miniaturized PEM fuel cells," 2007, in Proceedings of the 20th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, MEMS, Kobe, Japan
- T. Metz, N. Paust, C. Müller, R. Zengerle, and P. Koltay, "Mikrostrukturierte Gasverteilerstrukturen für den passiven Wasseraustrag aus PEM Brennstoffzellen,". VDI-VDE-IT, Ed. VDE Verlag, 2007, pp. 913-916.
- T. Metz, S. Kerzenmacher, N. Paust, C. Mueller, R. Zengerle, and P. Koltay, "Passive water management system for PEM fuelcells using microstructures," in Proceedings of PowerMEMS 2007 Freiburg, Germany: 2007, pp. 177-180.
- T. Metz, W. Streule, R. Zengerle, and P. Koltay, "Startube: A novel tube design for bubble tolerant interconnection in fluidic systems," in Proceedings of the 11th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (uTAS 2007) Paris, France: 2007, pp. 1149-1151.
