Experimentelle und theoretische Untersuchung der gas/flüssig-Phasentrennung in Mikrokontaktoren

Die gas/flüssig-Phasentrennung im Anoden- und Kathodenkreislauf einer miniaturisierten Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (engl. µDirect-Methanol-Fuel-Cell, kurz µDMFC) spielt eine signifikante Rolle beim portablen und instationären Betrieb dieser zukunftsweisenden Technologie zur Stromerzeugung. Dies gilt insbesondere, wenn die µDMFC zur Versorgung von mobilen Endgeräten wie z. B. Smartphones, Tablets und Laptops zum Einsatz kommt und auf einem „Lab-on-a-Chip“-Design mit einem Recycling- und Rückgewinnungssystem für den ungenutzten Brennstoff (Methanol) basiert. Durch die hohe chemische Energiedichte von Methanol (4,42 kWh/dm³) können durch die Verwendung einer µDFMC die Grenzen konventioneller Energiespeicher wie die wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie bezüglich Energiekapazität und volumetrischer Energiedichte möglicherweise überwunden werden. ... mehr
In der µDMFC liefert die kalte Verbrennung (elektrochemische Oxidation) des Brennstoffs Methanol die erforderliche elektrische Energie zur Versorgung mobiler Endgeräte. Dabei bildet sich eine Zweiphasenströmung auf der Anodenseite (CO2 + Wasser-Methanol-Gemisch) und Kathodenseite (Luft + Wasser). Während in konventionell betriebenen DMFC-Systemen eine Separation der Zweiphasenströmung mittels eines Schwerkraftabscheiders (Behälter) realisiert werden kann, müssen für portable Systeme neue Technologien für die gas/flüssig-Phasentrennung entwickelt werden. Der Mikrokontaktor aus dem Bereich der Membrantechnologie bietet für die zuvor skizzierte Problemstellung eine ideale Lösung, um die Zweiphasenströmung in ihre Grundbestandteile Gas und Flüssigkeit aufzutrennen. Durch die nachgelagerte Integration eines membran- bzw. mikrosiebbasierten Mikrokontaktors im Downstream der µDMFC ist eine effiziente Separation in flacher und kompakter Bauweise möglich.
Um den sicheren und robusten Einsatz der Mikrokontaktortechnologie in einer portablen µDMFC in Zukunft zu gewährleisten, wurde in dieser Promotionsarbeit zunächst eine systematische Untersuchung des Trennprozesses hinsichtlich des Stofftransports mit und ohne Zweiphasenströmung durchgeführt. Hierbei zeigte sich bei der theoretischen Betrachtung und den experimentellen Untersuchungen, dass die gas/flüssig-Phasentrennung nur durch eine erfolgreiche Kombination aus (1) Druckgradienten als treibende Kraft und (2) Kapillarkräften in den Poren der Trennschicht erzielt werden kann. Speziell für die experimentellen Untersuchungen sind geeignete Trennschichten für die gas/flüssig-Phasentrennung in einem Mikrokontaktor ermittelt bzw. entwickelt, modifiziert und charakterisiert worden.
Die polymerbasierten Membranen (1. Trennschichtvariante) sind aufgrund ihrer materialbedingten Benetzungseigenschaften (z. B. hydrophob) von Natur aus sehr gut geeignet für die gas/flüssig-Phasentrennung in einem Mikrokontaktor. Das metallische Mikrosieb (2. Trennschichtvariante) hingegen muss für eine effiziente gas/flüssig-Phasentrennung modifiziert werden. Insbesondere für die Modifizierung sind verschiedene Beschichtungsprozesse sowohl in der Gasphase als auch in der Flüssigphase angewendet und optimiert worden. Hierbei stand die Dünnschichttechnologie in Verbindung mit Beschichtungsmaterialien wie z. B. amorphen und dotierten Kohlenstoffschichten (a-C:H:Si:O) im Fokus. Im Zuge dieser Arbeiten konnten die metallischen Mikrosiebe erfolgreich für die gas/flüssig-Phasentrennung modifiziert werden, sodass diese als alternative Trennschichten nutzbar sind.
Anschließend wurden der Druckverlust, der Abtrenngrad, die Orientierungsunabhängigkeit, der Flüssigkeitsverlust und die aktive Membranfläche bei verschiedenen Zulauftemperaturen und Methanolkonzentrationen in verschiedenen Mikrokontaktorsystemen untersucht. Dabei stand ein verbesserter Einblick in den Abscheidevorgang bei transienter Arbeitsweise der µDMFC im Zentrum dieser Arbeiten, mit dem Ziel, eine sichere und robuste Abtrenneffizienz zu gewährleisten. Die nachgelagerte Modellierung der gas/flüssig-Phasentrennung im Mikrokontaktor mittels mathematischer und numerisch lösbarer Modelle lieferte eine gute Simulations- und Auslegungsgrundlage zur Beschreibung der gas/flüssig-Phasentrennung in einem Mikrokontaktor.
Auf Basis der experimentellen und theoretischen Untersuchungsergebnisse konnte abschließend ein Designvorschlag für die Integration in einer portablen µDMFC erarbeitet werden, der einen sicheren und robusten Betrieb der µDMFC in Verbindung mit dem Mikrokontaktor gewährleistet.

The gas/liquid phase separation in anodic and cathodic circuits of a miniaturized Direct-Methanol-Fuel-Cell (µDMFC) has a significant role in portable and transient operation of fuel cell power generation systems. This is especially true if a µDMFC combined with a recycling and recovery system for methanol is used for the energy supply of mobile devices, i.e. smartphones, tablets and laptops. Based on the high chemical energy density of methanol (4.42 kWh/dm³) the boundaries of conventional chemical energy storages, i.e. lithium – ion – batteries might be surpassed in regards of energy capacity and volumetric energy density. ... mehr
The main benefit of this system is based on the cold combustion (electrochemical oxidation) of methanol which finally leads to the gain of electrical energy. A two-phase flow on the anodic side (CO2 + water-methanol mixture) and cathodic side (air + water) is created. Whereas conventionally run DMFC systems achieve phase separation of the effluent by using a gravity separator, new technologies need to be applied for portable systems. Using a microcontactor from the field of membrane technology, the challenge of gravity-independent separation of a two phase flow in its components of gas and liquid can be overcome. The downstream integration of a membrane or microsieve based microcontactor enables an efficient means of separating in flat and compact design.
As to guarantee a safe and stable application of the microcontactor in a portable µDMFC, this doctoral thesis dealt with a systematic examination of the separation process in respect to mass transport with and without two-phase flow. By theoretical analysis and experimental investigation it could be shown that the gas/liquid phase separation could be achieved only by combination of (1) necessary pressure gradients and (2) capillary forces in the separation layer. Here special interest was put in the development and characterisation of the separation layer in the microcontactor.
The polymer based membranes studied as one option for peforming the separation are especially well suited for the separation process in a microcontactor based on their wetting properties (i.e. hydrophobic). The metallic microsieve investigated as the second option however had to be modified for an efficient gas/liquid separation. For this purpose, different coating processes in gas phase as well as in liquid phase have been applied and optimized. A special interest was put onto the thin-film technology in combination with special coating materials i.e., amorphous and doped carbon layers (a-C:H:Si:O). In conclusion, the modification of metallic micro sieves for the use in alternative separation layers could be achieved.
Furthermore, the loss of pressure, separation performance, independence of orientation, loss of fluid and activity of the membrane surface in regard to different inlet temperatures and methanol concentrations was examined. These experiments were conducted to gain insight into the separation process using a transient mode of operation for the µDMFC. The following modelling of the gas/liquid phase separation in the microcontactor by applying mathematically and numerically solvable models should enable a solid foundation for further investigation of these systems.
Finally, based on the experimental and simulated results a design proposal for the integration of a portable µDMFC in contact with a microcontactor for safe and efficient operation could be achieved.