Kontrollierte elektrochemische Energieumwandlung durch oberflächennahe Strömungsbeeinflussung
Technische Thermodynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Weltbevölkerung und der Konsum wachsen stetig – und damit auch der weltweite Energiebedarf. Die Stromerzeugung ist dabei nach wie vor stark von den fossilen Energieträgern Kohle, Öl und Gas abhängig. Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, der von fossilen Energieträgern befördert wird, soll mehr und mehr Strom aus regenerativen Energiequellen gewonnen werden. Doch Sonnenlicht und Windkraft stehen nicht kontinuierlich zur Verfügung. Um die Stabilität der Energieversorgung zu gewährleisten, muss die aus regenerativen Quellen gewonnene Energie mit innovativen Technologien gespeichert werden – Wasserstoffelektrolyse und Brennstoffzellen gelten als Technologien der Zukunft. Dabei wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Nachdem der Wasserstoff gespeichert wurde, wird er in einer Brennstoffzelle wieder kontrolliert mit Sauerstoff zusammengebracht – durch die chemische Reaktion wird elektrischer Strom erzeugt. Die chemische Energiespeicherung ist insbesondere für die Langzeitspeicherung von Energie vielversprechend. Das Forschungsziel der Emmy-Noether Nachwuchsgruppe war es, die physikalischen Prozesse zu erforschen, die der elektrochemischen Energieumwandlung zugrunde liegen, um so die Effizienz der Technologie und damit die Leistungsfähigkeit künftiger Generationen von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zu steigern. Bei der elektrochemischen Energieumwandlung wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, die als Gasblasen an den Elektroden entstehen. Der so erzeugte Wasserstoff – oder darauf basierende Produkte wie Methanol – können anschließend in Brennstoffzellen klimaneutral wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden. Allerdings verringern die an den Elektroden anhaftenden Gasblasen den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs. In gemeinsamen Experimenten mit Wissenschaftlern der TU Dresden, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung IFW Dresden, konnte weltweit erstmals der Einfluss der sogenannte thermischen Marangoniströmungen auf das Blasenwachstum nachgewiesen werden. Um zu verhindern, dass Blasen, die an den Elektroden anhaften, den Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse verringern, wurde außerdem erforscht, wie diese Strömungen das Wachstum der Blasen und ihr Ablöseverhalten von den Elektroden beeinflussen. Durch externe Magnetfelder wurden zusätzlich Kräfte erzeugt, um die Blasen gezielt von der Elektrodenoberfläche zu lösen. Um die Strömungsvorgänge an den Gasblasen und in einer Brennstoffzelle zu messen, wurden zudem innovative Messtechniken entwickelt, die beispielsweise in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Zentrums für Brennstoffzellen-Technik Duisburg eingesetzt wurden, um das Schnellstartverhalten von Direktmethanol-Brennstoffzellen zu verbessern. Solche innovativen Brennstoffzellen könnten in mobilen Geräten anstelle eines Akkus eingesetzt werden. In einem weiteren Teilprojekt wurde ein Prototyp einer mikrofluidischen Brennstoffzelle entwickelt und gefertigt, deren besondere Geometrie ohne die üblicherweise notwendige teure Membran zur Trennung von Brennstoff und Oxidationsmittel auskommt. So konnte die Leistung und Brennstoffausbeute gesteigert werden. Da die elektrochemische Energieumwandlung immer an der Elektrodenoberfläche stattfindet, ist es sinnvoll, diese zu verkleinern. Damit steigt das Verhältnis von benetzter Oberfläche zum Gesamtvolumen stark an. Solche Mikrobrennstoffzellen haben zwar für sich genommen nur eine geringe Leistung, koppelt man aber mehrere solcher Zellen parallel miteinander, lassen sich Einheiten mit quasi beliebiger Leistung erzeugen. Als ein ganz zentrales Ergebnis des ENP kann die Etablierung der Astigmatismus Particle Tracking Velocimetry als einer Messtechnik bewertet werden, mit der in vielen mikrofluidischen Strömungen erstmals dreidimensional das Geschwindigkeits- und Temperaturfeld gemessen werden konnte. Die Technik wird nicht nur in der Gruppe des Antragstellers eingesetzt, sondern auch von anderen Gruppen angewendet und weiterentwickelt. Zusätzliche Anwendungsaspekte ergeben sich aus dem Verständnis der Kräfte auf eine anwachsende Gasblase und des überraschend großen Einflusses der thermischen Marangoniströmung. Hier sollen in Folgeprojekten gezielte Änderungen er Elektrodeneigenschaften untersucht werden, um diese Erkenntnisse in anwendungsnahe Projekte der Wasserstoffwirtschaft zu überführen. Im Bereich der membranlosen mikrofluidischen Brennstoffzellen kann nach dem Nachweis der Funktionalität mit Brennstoff und Oxidationsmittel über eine weitere Anwendung nachgedacht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2015) Near-wall measurements of the bubble-driven and Lorentz-force-driven convection at gas-evolving electrodes. Experiments in Fluids 56, 162
D. Baczyzmalski, T. Weier, C.J. Kähler, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00348-015-2029-0) - (2016) Luminescent two-color tracer particles for simultaneous velocity and temperature measurements in microfluidics. Measurement Science and Technology 27, 1153014
J. Massing, D. Kaden, C.J. Kähler, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0957-0233/27/11/115301) - (2016) On the Electrolyte Convection around a Hydrogen Bubble Evolving at a Microelectrode under the Influence of a Magnetic Field. Journal of the Electrochemical Society 163, E248-E257
D. Baczyzmalski, F. Karnbach, X. Yang, G. Mutschke, M. Uhlemann, K. Eckert, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1149/2.0381609jes) - (2017) Growth and detachment of single hydrogen bubbles in a MHD shear flow. Physical Review Fluids 2, 093701
D. Baczyzmalski, F. Karnbach, G. Mutschke, X. Yang, K. Eckert, M. Uhlemann, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.2.093701) - (2017) The effect of the rotating MHD flow on the detachment of gas bubbles from the electrode surface. International Journal of Hydrogen Energy 42, 20923-20933,
T. Weier, D. Baczyzmalski, J. Massing, S. Landgraf, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.07.034) - (2018) A volumetric temperature and velocity measurement technique for microfluidics based on luminescence lifetime imaging, Experiments in Fluids 59, 163
J. Massing, C.J. Kähler, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00348-018-2616-y) - (2018) Marangoni convection at electrogenerated hydrogen bubbles, Physical Chemistry Chemical Physics 20, 11542
X. Yang, D. Baczyzmalski, C. Cierpka, G. Mutschke, K. Eckert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C8CP01050A) - (2019) A fast start up system for microfluidic direct methanol fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy 44, 26517-26529
J. Massing, N. van der Schoot, C. J. Kähler, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.08.107) - (2019) Passive control of the concentration boundary layer in electrochemical microfluidic devices using Dean-vortices, Microfluidics and Nanofluidics 23, 110
W. Rösing, T. Schildhauer, J. König, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10404-019-2274-2) - (2019) Thermocapillary Marangoni convection during hydrogen evolution at microelectrodes, Electrochimica Acta 297, 929-940
J. Massing, G. Mutschke, D. Baczyzmalski, X. Yang, K. Eckert, C. Cierpka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.11.187)
