Chemische und elektrochemische Reaktoren dienen dazu, Reaktionsedukte einer Reaktionszone zuzuführen, chemi- sche oder elektrochemische Reaktionen durchzuführen und Reaktionsprodukte aus der Reaktionszone abzuleiten.

Energie kann dabei zugeführt oder auch freigesetzt wer- den. Als Energiearten können sowohl thermische Energie als auch elektrische Energie zum Einsatz kommen. Dies trifft insbesondere auch auf Brennstoffzellen und Wär- metauschern zu. Dort können mehrphasige Bereiche auf- treten, die zum Funktionsverlust führen können.

Im Falle einer Brennstoffzelle wird elektrische Energie direkt aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel gewonnen. Sie besteht aus einer Kathode, einer Anode und einem dazwischen liegenden Elektrolyten. Der Katho- de wird das Oxidationsmittel (z. B. Luft) und der Anode wird der Brennstoff (z. B. Methanol) zugeführt. Kathode und Anode der Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebs- mittel (Brennstoff und Oxidationsmittel) dem Elektroly- ten zugeführt und die Reaktionsprodukte abgeführt wer-

den können. Kohlendioxid ist ein typisches Reaktions- produkt auf der Anodenseite.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie- lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente, sogenannte Interkonnektoren, elektrisch und mechanisch verbunden. Ein Beispiel für ein verbindendes Element stellt die bipolare Platte dar. Mittels Inter- konnektoren entstehen übereinander gestapelte, elek- trisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese An- ordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt. Die Brenn- stoffzellenstapel bestehen aus den Interkonnektoren und den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten.

Interkonnektoren besitzen neben den elektrischen und mechanischen Eigenschaften regelmäßig auch Verteiler- strukturen für die Betriebsmittel. Bei der bipolaren Platte sind dies Stege mit Elektrodenkontakt, die Kanä- le zur Versorgung der Elektroden mit Betriebsmitteln voneinander trennen (DE 44 10 711 C1). Verteilerstruk- turen wie Manifolds, Kanäle in bipolaren Platten, Lö- cher in Kontaktblechen, Mäander oder Füßchen eines Net- zes (grid) bewirken, daß die Betriebsmittel gleichmäßig in den Elektrodenräumen (Räume in denen sich die Elek- troden befinden) verteilt werden.

In einer sogenannten"Direkt-Methanol-Brennstoffzelle" (DMFC) wird Methanol zusammen mit Wasser über solche Verteilerstrukturen an der Anode verteilt und mit Hilfe von Katalysatoren, wie beispielweise Platin-Ruthenium- Legierungen, zu Protonen und Kohlendioxid umgesetzt.

Eine Zweiphasenströmung bildet sich aus, in der C02 in einer Flüssigkeit auftritt. Der Transport von flüssigen

und gasförmigen Stoffen in einem porösen System ver- läuft sehr unterschiedlich. Liegen eine flüssige und eine gasförmige Phase nebeneinander vor, so wird im we- sentlichen nur ein Gastransport durch die Poren statt- finden, die nicht mit Flüssigkeit benetzt sind. Die mit Flüssigkeit gefüllten Poren können im allgemeinen nicht passiert werden.

Nachteilig tritt bei dem Betrieb einer DMFC mit flüssi- gem Brennstoff (Methanol-Wasser-Gemisch) mit Kohlendi- oxid eine zweite gasförmige Phase auf. Das in unmittel- barer Nähe des Elektrolyten gebildete Kohlendioxid muß über die Poren der Anode den Bereich der Reaktion ver- lassen. Es behindert ansonsten den gleichmäßigen Zu- strom des flüssigen Brennstoffs zum Elektrolyten.

Aus den genannten Gründen muß das entstehende Kohlendi- oxid als gasförmiges Reaktionsprodukt im Betrieb einer Brennstoffzelle aus dem Anodenraum abgeleitet werden, da sich ansonsten die Gasbläschen unter anderem an den Verteilerstrukturen, also beispielsweise an den Kanälen von bipolaren Platten, festsetzen können und dadurch ein Leistungsabfall der Brennstoffzelle erfolgt.

In Wärmetauschern kann in ähnlicher Weise die Zweipha- senströmung in Form von Blasenbildung durch Wasserver- dampfung auftreten. Problematisch ist dabei, daß durch die Blasenbildung eine Blockade des Wärmeübergangs er- folgt, der zu Einbußen im Wirkungsgrad des Wärmetau- schers führen kann.

Die Erzeugung von Zweiphasenströmungen, deren Sichtbar- machung und Simulation, wie sie in Brennstoffzellen, Wärmetauschern oder anderen chemischen Reaktoren auf- tritt, ist daher von großem Interesse. Die Zweiphasen- strömung auslösenden Mittel, z. B. Verteilerstrukturen und Katalysatoren, werden dazu eingesetzt, die Gasent- wicklung und Strömung des Gases in der Flüssigkeit zu beeinflussen.

Die genaue Kenntnis der Strömungsvorgänge im Inneren von Brennstoffzellen, Wärmetauschern oder anderer Reak- toren, wie Elektrolyseure und Akkumulatoren ist also erforderlich. Diese sind aber aufgrund zusätzlicher stromableitender Strukturen und auf Grund der Werkstof- fe in der Regel geschlossene Systeme und daher optisch unzugänglich. Eine exakte Kenntnis der Strömungsvorgän- ge im Betrieb ist nicht gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vor- richtung mit Mitteln zur Erzeugung und Simulation von Zweiphasenströmungen. Als Voraussetzung zur Untersu- chung ist die Sichtbarmachung der Zweiphasenströmung unabdingbar.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma- len des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestal- tungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.

Die Vorrichtung umfaßt Mittel zur Erzeugung der Zwei- phasenströmungen und ist zumindest teilweise durchsich- tig. Dadurch wird ein Einblick in ihr Inneres gewähr- leistet. Zweiphasenströmungen, z. B. die durch Gasbla-

senbildung hervorgerufene Strömungsänderung in bzw. von Flüssigkeiten, werden sichtbar. Die Vorrichtung selbst kann eine mehr oder weniger realitätsnahe Nachbildung eines chemischen oder elektrochemischen Reaktors oder eines anderen, eine Zweiphasenströmung aufweisenden, Gegenstandes sein. Sie umfaßt die zur Erzeugung von Zweiphasenströmungen verantwortlichen und daher zu te- stenden Mittel.

Vorteilhaft ist die Vorrichtung modular aufgebaut. Da- durch ist man im Aufbau äußerst flexibel. Einzelteile der Vorrichtung können leicht ersetzt und weiter ent- wickelt werden.

Die Vorrichtung kann zumindest teilweise aus Plexiglas bestehen. Plexiglas ist preiswert. Es ist einfach zu bearbeiten. Realitätsnahe Strukturen, wie sie in den zu simulierenden Reaktoren auftreten, können leicht ausge- bildet werden.

In Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Vorrichtung als Mittel zur Erzeugung von Zweiphasenströmungen Ver- teilerstrukturen zur Zu-und Ableitung sowie zur Ver- teilung von Flüssigkeiten und Gasen. Die Verteiler- strukturen der Vorrichtung können z. B. in Form von Ma- nifolds oder Kanälen, wie in einer realen Brennstoff- zelle, ausgebildet sein. Die Vorrichtung stellt dann diesbezüglich eine Brennstoffzellennachbildung dar. In ihr lassen sich Zweiphasenströmungen erzeugen und das Strömungsverhalten innerhalb einer Brennstoffzelle si- mulieren. Die Vorrichtung umfaßt zumindest diejenigen zu testenden Mittel, die zur Erzeugung der Zweiphasen-

strömung beitragen können und die auf ihren Einfluß auf die Zweiphasenströmung auszutesten sind.

Besonders vorteilhaft umfaßt eine solche Vorrichtung auch Katalysatoren. Durch die Katalysatoren kann unter Verwendung geeigneter, Gas freisetzender Lösungen Gas direkt an denjenigen Orten der Vorrichtung entwickelt werden, wie es auch im Betrieb einer realen Brennstoff- zelle, z. B. einer DMFC, oder eines Wärmetauschers auf- tritt. Die Simulation der Zweiphasenströmung wird da- durch exakter.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Erzeu- gung und Simulation von Zweiphasenströmungen in chemi- schen oder elektrochemischen Reaktoren gelöst. Es um- faßt die Schritte : -eine Gas freisetzende Lösung wird in eine zumindest teilweise durchsichtige Vorrichtung mit Mitteln zur Erzeugung von Zweiphasenströmungen geleitet, -die Zweiphasenströmung wird erzeugt und aufgezeich- net.

Das Verfahren kann insbesondere für Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapel und Wärmetauscher angewendet werden.

Ohne Einschränkung der Erfindung kann das Verfahren aber auch zur Simulation von Zweiphasenströmungen in Elektrolyseuren, Akkumulatoren, Diaphragmazellen und Reaktoren zur elektrochemischen Abwasseraufbereitung angewendet werden. Die hierzu verwendete Vorrichtung ist eine mehr oder weniger vollständige Nachbildung der genannten Reaktoren. Sie umfaßt jene Mittel, die zur Erzeugung der Zweiphasenströmung beitragen können und

die auf ihren Einfluß auf die Zweiphasenströmung auszu- testen sind, z. B. Verteilerstrukturen und Katalysato- ren.

Mit Aufzeichnung sind insbesondere visuelle Verfahren, wie der Einsatz von Video-Kameras gemeint. Ohne Ein- schränkung der Erfindung können jedoch andere Aufzeich- nungsverfahren, z. B. Verfahren zur Registrierung von Druck-oder Volumenänderungen, angewendet werden.

Vorteilhaft wird verdünntes H202 als Gas freisetzende Lösung in den Reaktor geleitet. Es ist preiswert, farb- los und wird durch Platin-Ruthenium als Katalysator leicht zu Sauerstoff und Wasser umgesetzt. Mit Sauer- stoff als Reaktionsprodukt entsteht somit ein Gas, das unbedenklich an die Umgebung geführt werden kann. Der Sauerstoff entsteht an den gleichen Orten wie in einer real funktionierenden Brennstoffzelle, nämlich am Kata- lysator.

Besonders vorteilhaft verwendet man eine H202-Konzen- tration von 0,5-30 %, und insbesondere 2-5 %. Die H202- Konzentration führt dann zu einer Gasblasenbildung, die derjenigen von realen Verhältnissen in einer DMFC- Brennstoffzelle entspricht. Bei Verwendung von hohen H202-Konzentrationen kann die benötigte Katalysatormen- ge gering gehalten werden. Teures Edelmetall wird ein- gespart.

Als Ausführungsbeispiel sei die Erzeugung einer Zwei- phasenströmung und dessen Simulation wie in einer DMFC- Brennstoffzelle genannt. Das Gehäuse der Vorrichtung besteht aus Plexiglas, was einen Einblick in das Innere

gewährleistet. Die Vorrichtung enthält darüber hinaus eine Katalysatorschicht aus Platin-Ruthenium mit einer Belegung von 2 mg cm~2 und Gasverteilerstrukturen in Form von Manifolds sowie Kanäle und Stege, wie in einer bipolaren Platte, mit einer Breite von je 2 mm. Als Gas freisetzende Lösung wird 3%-ige H202-Lösung verwendet.

Die Gasblasenentwicklung entspricht dann einer derjeni- gen, die im Betrieb einer Direkt-Methanol-Brennstoff- zelle mit einer Stromdichte von 100-500 mA cm~2 auf- tritt. Es kann auch eine farbige Lösung, beispielsweise bestehend aus Lebensmittelfarbe E124, zugesetzt werden.

Dadurch wird die Beobachtbarkeit des Strömungsverlaufs der flüssigen Phase verbessert. Die Strömung des Gases in der Flüssigkeit bzw. die Strömung der Flüssigkeit selbst läßt sich leicht mit einer Video-Kamera visuell aufzeichnen und im Detail untersuchen. Die Entwicklung von geeigneten Strukturen, z. B. Verteilerstrukturen, an denen ein Gas wie Kohlendioxid nicht agglomeriert, er- leichtert somit die Ableitung des Gases.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein durchsichtiges Modell eines Wärmetauschers indem man die simulierte Zweiphasenströmung steuert und sichtbar macht, indem Bereiche mit einem hohen Wärmeeintrag mit Platin-Ruthenium mit einer Belegung von 2 mg cm~2 als Katalysatormaterial beschichtet wird. Dies hat zur Fol- ge, daß, bei Verwendung von 3%-iger H202 als Gas frei- setzender Lösung, nur in diesen Bereichen Gasblasen entstehen. Wie im Falle einer Brennstoffzelle sind dann auf Grund der Simulation der Strömungsverhältnisse Er- kenntnisse für die Entwicklung eines Wärmetauschers ab- leitbar, in dem durch geschickte Anordnung seiner Bau- teile die Gasblasenentwicklung minimiert und damit der Wirkungsgrad gesteigert wird.