Student work and assistants

Die Brennstoffzelle (BSZ) ist einer der Hoffnungsträger in der Energiewende. Allerdings ist die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Technologien durch den diffusionsbegrenzten Massentransport sowie eine lange Aufheizphase zum Erreichen der Betriebstemperatur nur bedingt gegeben. Abhilfe können akustische Oberflächenwellen (SAW, engl. surface acoustic wave) bieten, die in der Mikrofluidik zum gezielten Anregen von Strömungen durch den Acoustic Streaming Effekt (ASE) verbreitet sind. Allerdings besitzt der ASE einen niedrigen Wirkungsgrad, weshalb ein Großteil der akustischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Für einen gezielten Massentransport bei gleichzeitiger Erwärmung des Fluids könnten somit SAWs in Brennstoffzellen eine wertvolle Anwendung darstellen. Durch die experimentelle Charakterisierung akustischer Strömungen in Elektrolyten mit unterschiedlicher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit und durch die Charakterisierung des Wärmeeintrags in akustischen Strömungen einer Wasser-Glycerin-Lösung soll ein potentieller Nutzen von SAWs in Brennstoffzellensystemen abgeleitet werden. Dabei wurden Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen mit partikelbasierten Messmethoden wie der Micro Particle Image Velocimetry ([my]PIV), Astigmatischen Particle Tracking Velocimetry (APTV) und der Lumineszenz-Lifetime-Methode in akustischen Strömungen in Ersatzsystemen aus PDMS-Mikrokanälen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei den betrachteten Elektrolyten kein signifikanter Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit auf die akustische Strömung nachzuweisen ist. Zudem konnte bei den Temperaturmessungen beobachtet werden, dass ein strömendes Fluid durch eine SAW in einem Mikrokanal erwärmt werden kann. In einer Ebene des Mikrokanals konnten Temperaturgradienten von bis zu etwa 5 ˚C/mm gemessen werden. Aus diesen Resultaten lässt sich ableiten, dass akustische Oberflächenwellen prinzipiell für einen gezielten Massentransport bei gleichzeitiger Erwärmung des Fluids zur Anwendung in Brennstoffzellen geeignet sind.

Zum Aufkonzentrieren oder Bündeln von Lösungen mit paramagnetischen Ionen oder zum gezielten Steuern von Volumenströmen auf mikrofluidischen "Lab-on-a-Chip" - Systemen können magnetische Volumenkräfte genutzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss einer magnetischen Volumenkraft auf ein Fluid mit konzentrationsabhängigem magnetischen Verhalten innerhalb eines Mikrokanals zu untersuchen. Diese Volumenkraft ist als Magnetfeldgradientenkraft bekannt. Mithilfe von Simulationsmodellen werden für ein in der Herstellung befindliches Mikrosystem, mit ferromagnetischen Mikrostrukturen, Vorbetrachtungen zur experimentellen Charakterisierung vollzogen. Durch den Konzentrationsunterschied von im Fluid gelösten Ionen wird besonders in der Nähe eines in der Kanaldecke eingegrabenen ferromagnetischen CoFe - Streifens eine Querströmung senkrecht zur volumenstromgeregelten Hauptströmungsrichtung erzeugt. Ein Permanentmagnet generiert hierbei das benötigte, stationäre Magnetfeld. Die Fragestellung lautet, wie sich die Magnetfeldgradientenkraft in Kombination mit weiteren Volumenkräften auf die hervorgerufene Querströmung auswirkt und welche experimentellen Randbedingungen es zu deren Beeinflussung geben könnte. Um die experimentelle Charakterisierung des vorhandenen mikrofluidischen Systems vorzubereiten, wird zunächst eine Chiphalterung entworfen und die "Astigmatic Particle Tracking Velocimetry (APTV)" zur Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten ausgewählt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Simulationen zum mikrofluidischen Chip, bestehend aus einem Y-Kanal mit Elektroden und in der Wand eingelassenen CoFe-Mikrostrukturen, erstellt. Einerseits wird das dreidimensionale Simulationsmodell unter Berücksichtigung eines überlagerten elektrischen Feldes und elektrochemischer Reaktionen an den Elektroden in der Umgebung des CoFe betrachtet. Andererseits wird das Modell ohne elektrochemischen Stoffumsatz untersucht, wobei ein Konzentrationsunterschied an paramagnetischen Ionen durch das Zuführen unterschiedlich konzentrierter Lösungen auf Wasserbasis über die beiden Inlets des Y - Kanals generiert wird. In diesem passiven System wirkt keine Lorentzkraft. Allerdings wird die Strömung der Magnetfeldgradientenkaft durch eine konzentrationsabhängige, dichtegetriebene Strömung überlagert. Hierbei wird festgestellt, dass die konzentrationsabhängige Auftriebskraft für die Strömungsrichtung und die Stärke der resultierenden Querströmung nicht vernachlässigbar ist. Hinsichtlich Stärke der Querströmung und verwendeter Messtechnik wird ein geeigneter Betriebspunkt durch Variation der experimentellen Randbedingungen, wie Position und Größe des Permanentmagneten, Verhältnis der beiden eingespeisten Volumenströme und Gesamtvolumenstrom, gesucht. Für das passive System ist ein zum Mittelpunkt der CoFe - Mikrostruktur zentrierter, zylindrischer Permanentmagnet mit d=12 mm am besten geeignet. Für die experimentelle Charakterisierung des Einflusses der Magnetfeldgradientenkraft sollte ein symmetrischer Zufluss über die beiden Inlets gewählt werden. Es wurde festgestellt, dass der Gesamtvolumenstrom den größten Einfluss auf die Querströmung ausübt. Daher wird der betrachtete Gesamtvolumenstrom durch die mittlere Geschwindigkeit von 1 mm/s in der Hauptströmungsrichtung festgelegt. Im Vergleich zu 0.22 mm/s verändert sich die Stärke der Querströmung, nach oben hin, deutlicher, als jeweils durch die Variation der zuvor aufgeführten Parameter. Um den signifikanten Einfluss der dichtegetriebenen Querströmung zu überprüfen, wurde auf Basis der Laser induzierten Fluoreszenz Technik ein vereinfachtes Experiment für vergleichbare Konzentrationsverhältnisse durchgeführt und qualitativ dokumentiert. Dabei zeigte sich für Flüssigkeiten mit einem geringfügigen Dichteunterschied von 3.3 % eine deutlich größere Durchmischung als bei gleicher Dichte, wo nur Diffusion zu wirken scheint. Das passive Setup bietet mit dem einstellbaren Gesamtvolumenstrom einen gut zugänglichen Parameter für eine anzupassende Querströmung. Gleicht man die Dichte der beiden zugeführten Volumenströme an, so kann die Auftriebskraft vernachlässigt und der Einfluss der Magnetfeldgradientenkraft auf die Querströmung explizit untersucht werden.

Im Zuge des Klimawandel und der zunehmenden Urbanisierung rück batterieelektrische Stadtbusse verstärkt in den Fokus der Entwicklung. Bei diesen ist die Batterie der einzige Energiespeicher und muss diese begrenzte Energie für die Fahrleistung und Klimatisierung bereitstellen. Zusätzlich sind die verfügbaren Batterien sehr temperatursensibel. Um eine hohe Reichweite ohne Einbußen in der Betriebssicherheit zu erhalten ist es daher notwendig, die Temperatur der Batterie durch gezielte Zufuhr und Abfuhr von Wärme konstant zu halten. Dies muss bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Lastprofilen sichergestellt werden. Für das Thermomanagement ist daher die Kenntnis der Einflüsse auf die Batterietemperatur von größter Wichtigkeit. In dieser Arbeit wird das thermische Verhalten eines kühlmittelgekühltes Batteriesystem bestehend aus 150 Modulen á 12 Batteriezellen analysiert. Im Betrieb erzeugt der elektrische Strom Wärme, welche die Batteriezellen und diese das Kühlmittel erwärmt. Mittels numerischer Simulationen eines Batteriemoduls wird das thermische Verhalten von Batteriezelltemperatur auf Kühlmitteltemperatur und andersrum bestimmt. Aus den jeweiligen Verhalten werden durch Systemidentifikationen Übertragungsfunktionen erstellt. Diese stellen das Verhalten vom Wärmestrom zur Änderung der Kühlmittelauslasstemperatur, vom Wärmestrom zur Batteriezellwickeltemperatur, von der Kühlmitteleinlasstemperatur zur Batteriezellwickeltemperatur und von der Kühlmitteleinlasstemperatur zur Kühlmittelauslasstemperatur, dar. Des Weiteren wird der Einfluss der Batteriematerialparameter Wärmekapazität und -leitfähigkeit auf das Übertragungsverhalten dargestellt. Ferner wird ein Simulinkmodell vorgestellt, welches die Übertragungsfunktionen so miteinander verknüpft, dass ein Kühlkreislauf des Batteriesystems simuliert wird. Es werden transiente Berechnungen der Batteriezellwickel- und Kühlmitteltemperaturen anhand von Lastprofilen, welche auf standardisierten und realen Fahrprofilen basieren, durchgeführt. Aufgrund der geringen Dynamik des thermischen Systems kann eine einfache Regelung der Kühlmitteltemperatur mittels P-Regler die Batteriezelltemperatur anpassen.

Diese Abschlussarbeit konzentriert sich auf die experimentelle Untersuchung zur Charakterisierung einer Zweiphasenströmung in Mikrokanälen. Ziel war es, eine Methode zu entwickeln, die die zuverlässige Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb von Tropfen mittels einer berührungslosen laseroptischen Messtechnik erlaubt. Eine Tropfenströmung als reproduzierbarer Mikroreaktor wird in der Biomedizin und der Chemieindustrie immer häufiger eingesetzt. In dieser Arbeit wird eine Reihe von Tröpfchen als Forschungsobjekt erstellt, indem Distelöl als kontinuierliche Phase und Glyzerin/Wasserlösung als dispergierte Phase im Mikrokanal verwendet wird. Die Geschwindigkeitsverteilung im Tröpfchen soll mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) bestimmt werden, insbesondere wird die Partikelbildverschiebung durch die Kreuzkorrelationsanalyse zweier benachbarter Bilder bestimmt. Dazu werden die Tracerpartikel im Tröpfchen mit einer Lichtquelle, die eine Wellenlänge von 532 nm aufweist, gleichmäßig beleuchtet. Ein externes Triggersignal wird an die programmierbare Zeiteinheit (PTU) übertragen, um die Lichtquelle und die Kamera zu synchronisieren. Durch die zusätzliche Identifizierung der Phasengrenze zur Einschränkung des zu analysierenden Bereichs wird der Einfluss des Geschwindigkeitsfeldes außerhalb der Tröpfchen eliminiert. Ein externer Trigger und die Identifizierung der Phasengrenze stellen sicher, dass die Tröpfchen an der gleichen Position im Bild abgebildet werden können.

In dieser Arbeit wurde ein bestehender Experimentalaufbau zur Messung von thermischen Konvektionsströmungen um das Verfahren der Background Oriented Schlieren Methode (BOS) ergänzt. Damit wurde gezeigt, dass die BOS Messmethode die Berechnung von zweidimensionalen Temperaturfeldern innerhalb thermisch getriebener Strömungen aufgrund des temperaturabhängigen Brechungsindex des Fluids und des daraus resultierenden veränderten Strahlengangs des Lichts ermöglicht. Das zu untersuchende Fluid wird auf der Messstrecke zwischen Kamera und einem strukturierten Hintergrundbild positioniert. In einer ersten Messung wird das Hintergrundbild mit einer Kamera aufgezeichnet, ohne dass die zu bestimmende Strömung und Temperaturdifferenzen auftreten dürfen. Diese Referenzaufnahme dient zur späteren Korrelation mit einer Messaufnahme und gleichzeitig als Kalibrierung des Messsystems. Bei der Messaufnahme wird die Strömung erzeugt und das Hintergrundbild erneut aufgezeichnet. Temperaturdifferenzen im Fluid erzeugen Änderungen im Brechungsindex und daraus folgend eine scheinbare Verschiebung der Strukturen auf dem Hintergrundbild. Diese scheinbaren Verschiebungen zwischen Mess- und Referenzbild werden mit einem Particle Image Velocimetry (PIV) Algorithmus korreliert und eine Verschiebungsmatrix berechnet. Diese kann in ein Brechungsindexgradientenfeld umgerechnet werden. Aus den physikalischen Zusammenhängen zwischen Brechungsindex und Dichte können final Dichte- und Temperaturfelder berechnet werden. Das BOS Verfahren kann parallel zu Strömungsgeschwindigkeitsmessungen mit dem PIV Messverfahren angewendet werden. Das berechnete Temperaturfeld wurde nach erfolgreicher Implementierung der Messmethode durch das Anbringen von weiteren Temperaturmessstellen innerhalb der verwendeten Messzelle validiert und zeigt sehr gute Übereinstimmungen mit diesen. Die Differenzen zwischen gemessenen und mittels BOS Methode berechneten Temperaturen befinden sich innerhalb der Messgenauigkeit (0,15 K) der Temperatursensoren.