Zentrum für
BrennstoffzellenTechnik
ZBT GmbH

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Dipl.-Ing. Jens Wartmann

Abteilungsleiter

Mikrosysteme und Strömungsmechanik

Tel.: +49-203-7598-3336
j.wartmann(at)zbt-duisburg.de
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laser-optische Strömungsmessungen

Zur Überprüfung und Analyse von Strömungsverhält­nissen werden am ZBT modernste laser-optische Ver­fahren eingesetzt: die Verfahren der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und der Particle-Image-Veloci­metry (PIV) sind berührungslose, partikelbasierte Messtechniken, die sich hervorragend eignen, auf Basis der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten Strömungsphänomene in kleinen und großen Skalen zu untersuchen. Dabei ist zu beachten, dass mit Hilfe dieser Methoden sowohl qualitative, als auch quan­titative Aussagen über die Strömungsverhältnisse möglich sind. Es ist möglich, sowohl laminare, tran­siente als auch turbulente Strömungen zu vermessen. Die zu untersuchende Strömung kann stationär, aber auch instationär sein. Beispielsweise können Totwas­sergebiete, Ablösephänomene, Verwirbelungen und Mischprozesse vermes­sen und visua­lisiert werden.

Beispieldarstellung einer gemessenen instationären, wirbelbehafteten Strömung in einem Rohrverzweigungssystem
Umströmung einer CO2-Blase im Anodenkanal einer betriebenen DMFC

Es können auch Mehrphasen-Strömungen vermessen werden, z.B. CO2-Blasen in Wasser-Methanol auf der Anode einer betriebenen Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC). Auf Ba­sis der gemessenen Geschwindigkeitsverteilungen lassen sich auch weitere Werte ermitteln, wie z.B. Scherspannungen etc. Laser-optische Strömungsmessungen mit Hilfe der LDA oder PIV-Technik sind in realen Konfigurationen durchführbar, d.h. es muss lediglich ein optischer Zugang zum Strömungsfeld gewährleistet sein. In der Regel kann dies über den Einbau eines kleinen Fensters oder eines Rohrstücks aus Glas erfolgen. Alternativ kann eine Messung auch in einem Modell erfolgen, falls die relevanten strömungsmechanischen Ähnlichkeiten einge­halten werden. Das ZBT kann hierzu die entsprechende strömungsmechanische Expertise liefern, beraten und Modelle fertigen. Bei entsprechender messtechnischer Modifikation und Datenaufbereitung können auch dreidimensionale Strömungsphänomene vermessen, dargestellt und analysiert werden. LDA und PIV-Messungen können sowohl im Laserlabor des ZBT durchgeführt werden, als auch vor Ort, falls der ent­sprechende Laserschutz gewähr­leistet werden kann.

Beispiel für eine Strömungsmessung im Manifold eines Brennstoffzellen-Stapels über einen optischen Zugang: Darstellung eines Geschwindigkeitsprofils
Stromlinien-Darstellung eines gemessenen dreidimensionalen Dean-Wirbels im Mikrokanal einer Brennstoffzelle
Darstellung des Messaufbaus für eine µPIV-Messung der Strömung in einem Mikrokanal

Für kleinste Skalen verfügt das ZBT als eine der wenigen Institutionen deutsch­landweit über die entsprechende µPIV-Technik, bei der Strö­mungsverhältnisse in Geometrien von µm bis mm mit Hilfe eines speziell mo­difizierten Mi­kroskops vermessen werden können. Diese spe­zielle Technik eignet sich z.B. zur Analyse von Strömungsverhält­nissen in Mikro­kanälen von Brennstoff­zellen, von Mi­kromischern in der Mikro­ver­fahrens­tech­nik oder auch von Strömungs­pro­zessen aus dem Bereich der Biowis­sen­schaften (Life-Science, Lab-on-a-chip).

Das ZBT nutzt die vorhandenen laser-optischen Messtechniken z.B. zur Analyse von Strö­mungsverhältnissen in Brennstoffzellen und in verwandten Themenbereichen. Dabei wird die Messtechnik in Kooperation mit Forschungs-partnern entsprechend modifiziert und weiter-entwickelt. So konnte z.B. der Zusammenhang von CO2-Blasen in Wasser-Methanol auf der Anode einer betriebenen Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit der Momentan­leistung der Zelle analysiert werden. Für die Analyse von Mikrogasströmungen wurde eine entspre­chende Technik zur Bereitstellung und Impfung der Strömung mit fluoreszie-renden kleinsten Flüssigkeitspartikeln entwickelt. So war es möglich, die Strömung auf der Kathode einer be­triebenen Brennstoffzelle auch bei Flüssigwasserbildung zu untersuchen.

Laserlabor des ZBT

Das ZBT nutzt das ebenfalls vorhandene CFD-Know-How und die entsprechenden Hard- und Software-Kapazitäten in enger Verknüpfung mit den experimentell gewonnenen Erkenntnis­sen über Strömungsphänomene zur Analyse von Prozessen und Verfahren. Als anwendungs­orientiertes Forschungs- und Entwicklungsinstitut unterstützt das ZBT Partner der Industrie bei der Realisierung neuer Projekte sowohl durch (laser-optische) Strömungsmessungen als auch durch CFD-Simulationen.

Einsatzgebiete

  • Entwicklung von Strömungsgeometrien für Brennstoffzellen, Elektrolyse-Zellen, Zink-Slurry-Batterien etc., z.B. Flowfield, Manifold-Strukturen, etc.
  • Analyse von Sprays, z.B. zur Kühlung, zur Aerosolerzeugung, etc.
  • Analyse von Kühlströmungen, z.B. Luft- oder Wasserkühlung von BZ-Stapeln
  • Analyse von Mehrphasenströmungen, z.B. Anode und/oder Kathode einer DMFC/PEMFC
  • Analyse von Mischprozessen, z.B. in Reformersystemen, verfahrenstechnischen Apparaten, etc.

Weitere Informationen zu laser-optischen Strömungsmesstechniken und ihrer Anwendung bei Brennstoffzellen können diesem Buchbeitrag entnommen werden:

Lindken, R. & Burgmann, S.: Laser-optical methods for transport studies in low temperature fuel cells in: Hartnig, C. & Roth, C. (Eds.) Polymer electrolyte membrane and direct methanol fuel cell technology, Volume 2: In situ characterization techniques for low temperature fuel cells, Sawston, Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2012, 425–461

Beispiele

PIV-Messung an einem System zur Partikelfiltration; mit freundlicher Genehmigung der Firma Palas GmbH
LDA-Messungen an einer modifizierten Rohrleitung mit Einbauten und Sichtfenster; mit freundlicher Genehmigung der Firma ILA GmbH
µPIV-Messung in einem Mikromischer; mit freundlicher Genehmigung des Instituts für Mikroverfahrenstechnik des KIT
Strömungsmessungen an einer modifizierten Zelle eines Chlor-Alkali-Elektrolyseurs; mit freundlicher Genehmigung der Firmen ThyssenKrupp Electrolysis GmbH, ThyssenKrupp Industrial Solutions AG und CABB GmbH
Letzte Änderung:  31.08.2016