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Nabern, R&D Daimler AG Projekttreffen OptiGAA II 26. März 2014 F. Wilhelm, J. Haußmann, K. Seidenberger, J. Scholta Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung.

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1 Nabern, R&D Daimler AG Projekttreffen OptiGAA II 26. März 2014 F. Wilhelm, J. Haußmann, K. Seidenberger, J. Scholta Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ZSW – Mikrostruktur, Visualisierung und Simulation von Flüssigwasser

2 - 2 - Überblick  Aktueller Stand der Arbeiten am ZSW – Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1)  Experimentelle Grundlagen, benötigte Parameter und Ausblick zur in- situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2.2)  Grundlagen, benötigte Parameter und Ausblick zur Monte-Carlo Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5)  Zusammenfassung

3 - 3 - Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg H D-Struktur

4 - 4 -

5 - 5 - Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X D-Struktur

6 - 6 -

7 - 7 - Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Analyse der Porenstruktur Porenradienverteilung: GDL-Typ H1410 weist generell mehr kleinere Poren auf Maximale Porengrößen beim Typ X0158 etwas größer und häufiger

8 - 8 - Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Analyse der Fasern Faserdurchmesserverteilung: GDL-Typ H1410 weist etwas größere Faserdurchmesser auf Engere Verteilung, geringere Schwankungsbreite beim Typ X0158

9 - 9 - Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Software  Software für Visualisierung zum Download:  Bruker (Hersteller µ-CT)  DATAVIEWER zum Betrachten von Bilderstapeln  CTVox zum Visualisieren von Volumina  ImageJ (http://rsb.info.nih.gov/ij/index.html): Betrachten von Bildstapeln, Bildanalysehttp://rsb.info.nih.gov/ij/index.html

10 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Zusammenfassung und Ausblick  H1410 und X0158 Substrat ohne Hydrophobierung: Tomographiedaten und Parameter der Experimente verfügbar auf https://plexus.zsw-bw.de/owncloud/ https://plexus.zsw-bw.de/owncloud/  Datenformat, Positionierung, Bildausschnitt etc. teilweise angepasst zum Austausch mit den Partnern ITWM/M2M  H1410 und X0158 mit Hydrophobierung sowie die gelieferten Varianten mit MPL werden so rasch wie möglich ergänzt  Größere Proben (geringere Auflösung) oder weitere Proben derselben Materialien nach Absprache mit Partnern  Beginn der µ-CT Untersuchungen von Referenzproben mit Wassergehalt (AP 2.3)

11 In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2.2) – Röntgentomographie mit einer Miniatur-BZ Quasi in-situ Tomographie Identifikation von Wasser durch Vergleich mit trockener Struktur Zelleigenschaften: Aktive Fläche: ca. 5cm² Kühlwassertemperierung Visualisierbarer Bereich: max. 13 x 12 mm² Röntgen- strahlen Synchrotron „BESSY“ Tomographie-BZ Wasservisualisierung

12 In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2.2) – Röntgentomographie mit einer Miniatur-BZ Auflösung im µm-Bereich Informationen zur Wasserverteilung und -menge in der GDL/MPL und im Flowfield Grafit Wasser Steg Kanal Steg Kanal Wasser GDL Steg Kanal Wasser GDL MPL

13 In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2.2) – Varianten der Miniatur-BZ Variante 1: Breite Aktivfläche im Visualisierungsbereich: 9 mm Maximale Pixelauflösung: 2,2 µm/pixel Drei verschiedene Flowfieldvarianten vorhanden: parallel – 1er Mäander – 3er Mäander Variante 2: Breite Aktivfläche im Visualisierungsbereich: 2,5 mm Maximale Pixelauflösung: 0,9 µm/pixel Gesamtgröße auch geeignet für µ-CT Ein Flowfield

14 In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2.2) – benötigte Parameter und Ausblick  Quasi in-situ Synchrotron-Tomographie mit Zelldesign Variante 1 oder 2  Benötigt:  Parameter zum Design und Zellaufbau  Flowfield: Original je nach Zelle oder modifiziert (Kanalgeometrie entsprechend Daimler)  Zellverpressung  Betriebsparameter  Auswahl der Materialien: Referenzmaterialien H1410 I4 C10, H1410 I4 CX333, X0158 IX94 CX333; Priorisierung vorab notwendig, falls nicht alle im Rahmen der Messzeit möglich  Messzeit am BESSY/HZB, voraussichtlich im Juni 2014, somit sollte MS 2.1 ( ) eingehalten werden können

15 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Grundlagen des Modells  3-dimensionales Gitter, Voxelgröße: 5 x 5 x 5 µm³  Gitterplätze können belegt werden mit:  Fasermaterial: Graphit / PTFE  Bipolarplatte  Flüssigwasser  Freie Voxel (Gasphase)  Periodische Randbedingungen, Aufhebung durch Wand möglich  Wechselwirkung basieren auf Grenzflächenenergien zwischen Wasser/Luft und dem jeweiligen Material

16 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Großkanonische MC Vorgegebene Randbedingungen: Temperatur, relative Feuchte, Druck und Benetzungseigenschaften Jede Monte Carlo Iteration besteht aus einer versuchsweisen Bewegung pro Wasservoxel und einer probeweisen Verdampfung / Kondensation pro Wasser- oder freies Voxel. Akzeptanzwahrscheinlichkeit für die Bewegung ist abhängig von den Grenzflächenenergien in den Zuständen Wahrscheinlichkeit für Verdampfung / Kondensation ist abhängig von den jeweiligen chemischen Potentialen der Flüssig- und der Dampfphase sowie den Grenzflächenenergien Ergebnis: Mittlere Wasserverteilung nach Erreichen des stationären Zustands / Gleichgewichts

17 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Bewegung, Verdampfung und Kondensation Akzeptanzwahrscheinlichkeiten: Bewegung: Verdampfung: Kondensation:

18 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Beispiel für Inputstruktur und Simuliertes System 3D-Struktur der GDL, Stegbereiche der BPP Systemgröße für Simulation ist begrenzt, hier mehrere Ausschnitte von 500 x 250 x z µm³ z = GDL-Dicke + Anteil Kanal Pore Carbon- fasern Beispiel: Simuliertes System mit hydrophilen und hydrophoben OF-Anteilen Steg Homogene GDL-Oberfläche oder GDL-Oberfläche mit hydrophilen und hydrophoben Bereichen Hier GDL / Wasser : 92° (gemessen mit IGC, 2 Proben)

19 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Beispiel Ergebnisse MC vs. Synchrotron-Tomographie (I) Monte Carlo Mittlere Wasserverteilung nach Erreichen eines stationären Zustands Quasi in-situ Experiment: Repräsentative Wasserverteilung nach 30 Minuten Betrieb Fest- material (Kohlenstoff, PTFE) Wasser z z K. Seidenberger, F. Wilhelm, J. Haußmann, H. Markötter, I. Manke, J. Scholta, J. Power Sources 2013, 239(0),

20 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Beispiel Ergebnisse MC vs. Synchrotron-Tomographie (II) Vergleichbare Trends bei gemittelten Simulations- und experimentellen Daten Abweichungen v.a. im Kanal, hier spielen im Realbetrieb die Tropfenbewegung und Fertigungstoleranzen des Kanals eine Rolle → Mit MC kann die Wasserverteilung in der GDL für verschiedene Strukturen und Hydrophobizitäten realistisch simuliert werden Monte Carlo Experimentelle Visualisierung

21 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – benötigte Parameter  Struktur: Möglichst realistisch - verpresst unter Flowfield  Flowfield der gewählten Tomographie-Zelle oder in Graphit gefräste Modellkanäle, Visualisierung im µ-CT (Geometrie Daimler: Steg µm, Kanal 0,6 bis 1,0 mm, Tiefe?)  Benötigt:  Verpressung  Kontaktwinkel BPP und GDL  Betriebsbedinungen: Temperatur, relative Feuchte, Gesamtdruck lokal 0.5 MPa1.0 MPa

22 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Zusammenfassung und Ausblick  Input-Strukturen können mit µ-CT oder BESSY gewonnen werden, zunächst H1410 I4 C10  Benötigte Kontaktwinkel GDL: Messung mit iGC, BPP je nach Entscheidung FF, Betriebsbedingungen sollten noch festgelegt werden  Erste Simulationen im kommenden Projekthalbjahr

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! // Energie mit Zukunft // Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Ulm: Elektrochemische Energietechnologien mit eLaB Solar-Testfelder: Widderstall und Girona (ES) Stuttgart: Photovoltaik (mit Solab), Energiepolitik und Energieträger, Zentralbereich Finanzen, Personal & Recht

24 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg H D-Struktur

25 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg H D-Struktur

26 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X D-Struktur

27 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X D-Struktur

28 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X D-Struktur


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