Entwicklung und Charakterisierung einer membranlosen mikrofluidischen Brennstoffzelle

Membranlose mikrofluidische Brennstoffzellen (MFCs) stellen aufgrund der theoretisch höheren Energiedichte eine potenzielle Alternative zu konventionellen Batterien dar und sind für die Anwendung in tragbaren elektronischen Geräten von großem Interesse. MFCs werden mit flüssigem Brennstoff und Oxidant betrieben, die in zwei getrennte Eintrittsöffnungen, in einen mit Elektroden ausgestatteten Mikrokanal eingeleitet werden. Bedingt durch die laminare Strömung im Mikrokanal fließen die beiden Fluide parallel zum Kanal, ohne sich konvektiv zu durchmischen. Allerdings sind MFCs aufgrund von geringen Stromdichten bei gleichzeitig niedrigem Brennstoffumsatz noch nicht kommerziell im Einsatz. Ein wesentlicher Grund für die geringen Stromdichten ist die Entstehung von Verarmungsschichten an den Elektrodenoberflächen aufgrund des diffusionsbegrenzten Massentransports. Aus diesem Grund wird zur Entwicklung einer leistungsfähigeren MFC der Fokus in dieser Arbeit auf die Steigerung des konvektiven Massentransports im Mikrokanal in Richtung der Elektroden gelegt. Es wird eine MFC mit gekrümmten Mikrokanal entwickelt. Durch die Krümmung entstehen in der Kurve des Kanals zwei entgegengesetzte Wirbel, die sogenannten Dean-Wirbel, die einen konvektiven Massentransport der Reaktanden an die Elektrodenoberfläche hervorrufen. Neben der Entwicklung einer MFC, werden in dieser Arbeit numerische und experimentelle Untersuchungen zum Einfluss des durch die Krümmung hervorgerufenen konvektiven Massentransports auf die Leistung der entwickelten MFC durchgeführt. Die dreidimensionale Strömung in gekrümmten Mikrokanälen wird mit Hilfe von numerischen Simulationen charakterisiert und die Ergebnisse mittels Astigmatismus Particle Tracking Velocimetry-Messungen (APTV) erfolgreich validiert. Weiterhin wird durch Simulationen und elektrochemische Experimente unter Verwendung eines Modell-Redoxsystems die negative Wirkung der sich bildenden Verarmungsschicht auf die Stromdichte im geraden Abschnitt des Mikrokanals aufgezeigt. In der Kurve kann durch die Dean-Wirbel die Stromdichte dagegen gesteigert werden. Zudem gelingt es mittels Simulationen den Einfluss der Dean-Wirbel auf die Stromdichte und die Leistung der MFC nachzuweisen und zu analysieren. Schließlich wird anhand von APTV-Messungen im Einlassbereich der MFC eine der Hauptströmung überlagerten Strömung festgestellt. Um den daraus resultierenden Brennstoff-Crossover zu verhindern, wird ein neues System mit einer dünnen Lippe im Einlassbereich des Mikrokanals gefertigt, welches den parallelen Fluss der beiden Fluide gewährleistet. Dies schafft die ideale Voraussetzung für die Verwendung des optimierten Mikrokanals als MFC und ebnet den Weg für die weitere Erforschung der MFC mit gekrümmten Mikrokanal.Membraneless microfluidic fuel cells (MFCs) are a potential alternative to conventional batteries due to their theoretically higher energy density and are of great interest for widespread application in portable electronic devices. MFCs operate with liquid fuel and oxidant, which are introduced into a microchannel with integrated electrodes through two separate inlets. Due to laminar flow in the microchannel both fluids move parallel inside the channel without convective mixing. Thus, the membrane can be eliminated in the MFC. However, MFCs are not yet in commercial use due to low current density and low fuel utilization. A major reason for the low current density is the formation of depletion layers on the electrode surfaces due to diffusion-limited mass transport. In order to develop a more effcient MFC, this work focuses on increasing the convective mass transport in the microchannel to the electrodes. Therefore, a comparatively simple approach is chosen. A microfluidic fuel cell with a curved microchannel is developed, which creates two opposing vortices inside the curvature, the so-called Dean vortices. These vortices cause convective mass transport of the reactants to the electrode surface. In addition to the development of a microfluidic fuel cell numerical and experimental investigations on the influence of the convective mass transport caused by the curvature on the performance of the MFC are carried out. The three-dimensional flow in curved microchannels is characterized by means of numerical simulations and successfully validated by means of astigmatism particle tracking velocimetry measurements (APTV). Furthermore, numerical simulations and electrochemical experiments using a model redox system show the negative effect of the depletion layer on the current density in the straight channel part of the microchannel due to the diffusion-limited mass transport. In the curve, on the other hand, the current density can be increased due to the Dean vortices. Moreover, the functionality of the fabricated MFC as a membraneless microfluidic fuel cell using fuel and oxidant is demonstrated successfully. In addition, numerical simulations are used to demonstrate and characterize the influence of the Dean vortices on the current density and the performance of the MFC. Finally a second flow overlapping the main flow in the form of two counter-rotating vortices is detected using APTV measurements in the channel inlet area of the MFC. In order to prevent the resulting fuel crossover, a new microsystem with a thin lip in the center of the inlet area of the microchannel ensures parallel flow of both fluids. This creates the ideal conditions for using the optimized microchannel as a MFC and paves the way for further research into MFCs with curved microchannels