Beschreibung
Diese Arbeit widmet sich der systematischen Untersuchung von Mikrokanal basierenden Separatoren für nicht mischbare Gas/Flüssigkeitsströme, wie sie in portablen DMFC-Systemen auftreten. Dabei wird die Trennung durch die Kombination hydrophiler und hydrophober, mikrostrukturierter Kanäle realisiert. Untersucht werden Separatoren, die ausschließlich auf Mikrokanalstrukturen basieren, als auch die eine Kombination von Mikrokanälen mit Membranen aufweisen. Es werden Separatoren mit zwei verschiedenen Modellansätzen untersucht. Die 3D-Computational-Fluid-Dynamics (CFD) Analyse mit den Separatoren auf Basis von Mikrokanalstrukturen erbringt klar den Beweis für den lageunabhängigen Betrieb solcher Separatoren. Es zeigt sich zusätzlich eine starke Abhängigkeit der Trennleistung gegenüber den Druckverhältnissen, sowie der Anzahl der Trennkanäle. Das zweite Modell, welches in Matlab implementiert wurde, stellt ein reduziertes 1D-Finite-Volumen-Modell (FVM) dar, mit welchem DMFC-System bezogene Parameter, sowie Design-Parameter und Umweltparameter analysiert wurden. Es wird gezeigt, wie die Separatoren ausgelegt werden müssen, um bei gleichzeitigem geringerem Flüssigkeitsverlust durch Verdampfung eine höhere Phasentrennung zu erzielen. Die für die Modellierung benötigten Daten des Kanalmaterials und der Membranen wurden durch Messungen bestimmt. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der experimentellen Analyse der Mikrokanal-Separatoren. Die auf Membranen basierenden Separatoren zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Modell auf und zeichnen sich durch ihr sehr robustes Betriebsverhalten aus. Separatoren, die ausschließlich aus einer Kombination von Mikrokanälen bestehen, weisen hingegen eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber kleineren Veränderungen der Betriebsparameter auf.
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