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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-77516
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7751/


Paust, Nils

Passive and self-regulating fuel supply in direct methanol fuel cells

Passive und selbstregulierende Brennstoffversorgung für Direkt Methanol Brennstoffzellen

Dokument1.pdf (7.984 KB) (md5sum: 28e6593fae636e3cdd14e04810bf04c2)

Kurzfassung in Englisch

A growing market for portable electronic devices with numerous additional
functions has intensified efforts to increase energy density, shorten the recharging
time, and increase the life cycle of the power supply. In this context, direct
methanol fuel cells (DMFCs) are promising candidates. A major challenge is
the limited space in portable devices. Consequently, the hardware for fuel storage
and supply, for control mechanisms, and for the actual fuel cell itself must
be miniaturized. In the past decade, passive fuel delivery to DMFCs has been
applied to reduce dimensions and to simplify the DMFC system. However,
among other challenges, buoyancy forces arising in the two-phase flow of the
fuel distribution systems caused an unresolved issue: the dependency of the
DMFC operation on its orientation.
This thesis contributes to the field by introducing new passive fuel management
to both, the anode and the cathode, that reliably supplies the DMFC no matter
in which orientation the fuel cell operates. The passive supply concept takes
advantage of the dominance of surface related forces over volume forces in fluidic
systems with small dimensions. Surface tension is utilized to degas the reaction
product carbon dioxide from the anode, to supply the anode of the DMFC
with methanol, and to remove abundant water from the cathode. Oxygen
supply to the cathode is driven by diffusion. The anode flow field consists
of parallel tapered channels in which carbon dioxide bubbles are deformed
forming interfaces with different surface curvatures. The surface deformation
generates a capillary pressure gradient that propels degassing and methanol
supply. Diffusive oxygen supply is achieved by exposing the cathode flow field
to ambient air and the reaction product water is transported out of the fuel
cell by utilizing hydrophilic porous media as flow field material.
Design and characterization of the proposed system is performed in two cycles,
accompanied by two-phase CFD simulations.


Kurzfassung in Deutsch

Im letzten Jahrzehnt ist der Markt für portable elektronische Geräte stark
angewachsen. Dementsprechend ist auch die Forschung nach einer leistungsfähigeren
Stromversorgung für diese Geräte intensiviert worden. Im Fokus stehen
dabei die Energiedichte, die Verkürzung der Aufladezeiten und eine Verlängerung
der Lebensdauer. Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (engl. DMFC)
ist ein vielversprechender Kandidat, allerdings stellt der stark limitierte Platz
für das Brennstoffzellensystem eine große Herausforderung dar. In diesem
Zusammenhang sind passive DMFCs entwickelt worden, die sich selbständig
mit Brennstoff versorgen und demnach ohne externe Pumpen und Ventile auskommen.
Dadurch wird das System vereinfacht und der Platzbedarf reduziert.
Allerdings konnte ein kontinuierlicher passiver Betrieb in allen räumlichen Orientierungen
der DMFC bisher noch nicht gezeigt werden, da sowohl an der
Anode als auch an der Kathode während des Betriebes eine mehrphasige Fluidströmung
entsteht, die aufgrund von Dichteunterschieden von Auftriebskräften
beeinflusst wird.
Die vorliegende Arbeit stellt ein neues passives Fluidmanagemnt vor, dass den
kontinuierlichen DMFC Betrieb in allen Orientierungen ermöglicht. Das Fluidmanagement
basiert auf dem Phänomen, dass in fluidischen Systemen mit
Kanaldurchmessern im sub-millimeterbereich Oberflächenkräfte über Volumenkräfte
dominieren. Die Oberflächenspannung, die an den Phasengrenzflächen
der Mehrphasenströmung auftritt, wird nutzbar gemacht, um die Reaktionsprodukte
abzutransportieren und gleichzeitig die DMFC mit Methanol zu versorgen.
Kathodenseitg wird Sauerstoff durch Diffusion an die chemisch aktive
Fläche transportiert. Das Anodenflowfield besteht aus parallelen konisch
zulaufenden Kanälen, in denen entstehende Kohlendioxid Gasblasen derart deformiert
werden, dass ein kapillarer Druckgradient über den Gasblasen entsteht.
Der Druckgradient führt zu einer Fluidströmung, die die Gasblasen aus dem
Flowfield transportiert. Gleichzeitig wird Methanol nachgeliefert. Auf der
Kathodenseite wird das anfallende flüssigeWasser durch ein hydrophiles poröses
Flowfieldmaterial von der aktiven Fläche wegbefördert. Das Kathodenflowfield
ist mit zur Umgebung hin offenen Kanälen strukturiert, so dass der Luftsauerstoff
durch Diffusion an die chemisch aktive Fläche gelangt.
Design und Charakterisierung der passiven DMFC erfolgte in zwei Zyklen,
die durch CFD Simulationen unterstützt wurden.


SWD-Schlagwörter: Methanolzelle , Numerische Strömungssimulation
Freie Schlagwörter (englisch): passive fuel supply, direct methanol fuel cell, bubble pump, contact line pinning
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zengerle, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.07.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 09.11.2010
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