Optische Messung von Strömungsprofilen im Rohrverzweigungssystem eines Brennstoffzellenstapels

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Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Brennstoffzellen liegt zum Beispiel im Bereich der Elektromobilität. Um hier konkurrenzfähig zu sein, muss die Effizienz von Brennstoffzellenstapeln gesteigert werden. Diese ist unter anderem von der Gleichverteilung des Brennstoffs in den einzelnen Zellen abhängig. Die Versorgung dieser Zellen wird durch ein komplexes Rohrverzweigungssystem, das sogenannte Manifold, sichergestellt. Um Designkriterien für das Manifold festlegen zu können, werden numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) durchgeführt. Für diese sind experimentell ermittelte Randbedingungen in Form von Strömungsprofilen unabdingbar. Dabei werden hohe Anforderungen an die Messtechnik gestellt: Neben einer geringen Unsicherheit der Geschwindigkeit erfordert der kompakte Aufbau eines Brennstoffzellenstapels mit Rohrdurchmessern im Millimeterbereich eine Ortsauflösung besser als 100 µm. In diesem Beitrag wird über Messungen von Strömungsprofilen am Modell eines Brennstoffzellenmanifolds berichtet, welche mit Hilfe einer neuartigen Variante des Laser-Doppler-Anemometers (LDA) durchgeführt wurden. Durch die Nutzung von Licht geringer örtlicher Kohärenz weist dieses LDA ein in axialer Richtung erheblich verkürztes Messvolumen mit entsprechend verbesserter Ortsauflösung von etwa 65 µm sowie eine minimale Geschwindigkeitsunsicherheit von 7*10^-4 auf. Durch die Detektion von Streupartikeln in Rückwärtsrichtung ist zudem das Messen durch einen einzigen kleinen optischen Zugang möglich. Erste Messungen demonstrieren die Funktionalität des Sensors. Die Ergebnisse zeigen dabei bereits sehr gute Übereinstimmung mit CFD-Daten.