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Experimentelle Untersuchung und dynamische Modellierung der CO2-Abtrennung und Wasserrückgewinnung in einem mikrosieb- bzw. membranbasierten Mikrokontaktor

Experimentelle Untersuchung und dynamische Modellierung der CO2-Abtrennung und Wasserrückgewinnung in einem mikrosieb- bzw. membranbasierten Mikrokontaktor
Stellenausschreibung: Links:
Stellenart:

Bachelor- oder Masterarbeit

Fakultät/Abteilung:

SEP

Institut:

IMVT

Eintrittstermin:

April / Mai 2018

Kontaktperson:

Dyrda, Kay Marcel

Hintergrund und Motivation

Die µDirekt-Methanol-Brennstoffzelle (µDMFC) ist ein vielversprechender Ansatz zur effizienten Umwandlung und Erzeugung elektrischen Stroms für transportable Geräte wie beispielsweise Laptops und mobile Endgeräte (Smartphone, Tablet, usw.). Dabei bietet Methanol die Vorteile der flüssigen Lagerung und Befüllung von kleinen Vorratstanks sowie der relativ hohen chemischen Energiedichte im Molekül (4,3 Wh/cm3). Die maximale Leistungsdichte konventioneller elektrochemischer Energiespeicher (Akkus) liegt augenblicklich bei nur etwa 300 mWh/cm3. Selbst wenn die µDMFC nur mit 30% Wirkungsgrad arbeitet ist die Energiedichte um ein vielfaches höher. Hierdurch kann die Betriebszeit von den oben genannten Geräten signifikant verlängert werden, ohne das Gewicht und/oder das Volumen unverhältnismäßig zu erhöhen.

Während auf der Anodenseite der µDMFC Methanol unter Aufnahme von Wasser zu gasförmigen CO2 oxidiert, wird Sauerstoff auf der Kathodenseite unter Aufnahme von H+-Ionen und Elektronen zu flüssigen Wasser reduziert. Durch die Dichteunterschiede zwischen Gase und Flüssigkeit bildet sich anschließend auf der Anoden- bzw. Kathodenseite mit dem vorhandenen Wasser-Methanol-Gemisch bzw. mit der Kathodenluft eine Zweiphasenströmung aus, die zum Blockieren (Blocking) der Kanäle und zur Reduzierung der aktiven Reaktionsfläche führt. Beide Punkte gehen mit einem Leistungsverlust in der µDMFC einher. Im Rahmen des IGF-Vorhabens 18471 N „Entwicklung eines kompakten µDMFC-Moduls mit integrierter Stofftrennung“ wird, wie bereits der Titel suggeriert, die Stofftrennung für die kompakte µDMFC am IMVT entwickelt.

 

Aufgabenstellung

Ziel in dieser Arbeit ist es, die CO2-Abtrennung bzw. die Wasserrückgewinnung mit einem mikrosieb- bzw. membranbasierten Mikrokontaktor in einer neuen modularen Messzelle in Verbindung mit einer µDMFC unter dynamischen Betriebsbedingungen experimentell zu untersuchen (1. Bachelorarbeit) und zu modellieren (Masterarbeit oder 2. Bachelorarbeit). Im Zuge der experimentellen Untersuchungen sind außerdem die Auswirkungen verschiedener Kanalgeometrien auf die Zweiphasentrennung zu bestimmen. Im weiteren Verlauf der Arbeit soll auf Basis von Matlab ein Modell für die dynamische Betriebsweise der Brennstoffzelle entwickelt werden. Hierbei steht die Entstehungsmenge von CO2 und Wasser im Vordergrund. Zudem soll ein bereits bestehendes Matlab Modell für die Zweiphasentrennung mit dem entwickelten dynamischen Brennstoffzellen-Modell verknüpft werden um die theoretische benötigte Abtrennfläche zu bestimmen. Das Gesamtmodell ist abschließend dynamisch zu simulieren und experimentell zu verifizieren.

 

Stellenart:

2 Bachelorarbeiten oder 1 Masterarbeit

 

Prüfer:

Prof. Dr.-Ing. habil. Roland Dittmeyer

 

Betreuer:

M. Sc. Kay Marcel Dyrda, Dr. Katja Haas-Santo

 

Der Fortschritt der Arbeit wird in regelmäßigen Abständen (alle 2 Monate) besprochen.

Die Resultate der Forschungsarbeiten sollen in einer Masterarbeit beschrieben und im Rahmen eines Seminarvortrags am IMVT vorgestellt werden. Der Umfang der Masterarbeit soll 55 bis 60 Seiten nicht überschreiten (ohne Anhang).