ZSW – Mikrostruktur, Visualisierung und Simulation von Flüssigwasser 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

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

Tomographie der Referenzmuster (AP 2 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg H1410 3-D-Struktur

Tomographie der Referenzmuster (AP 2 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X0158 3-D-Struktur

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 - 7 -

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 - 8 -

Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Software Software für Visualisierung zum Download: Bruker (Hersteller µ-CT) http://www.bruker-microct.com/products/downloads.htm DATAVIEWER zum Betrachten von Bilderstapeln CTVox zum Visualisieren von Volumina ImageJ (http://rsb.info.nih.gov/ij/index.html): Betrachten von Bildstapeln, Bildanalyse

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/ 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)

In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2 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 Synchrotron „BESSY“ Tomographie-BZ Wasservisualisierung Röntgen- strahlen

In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2 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 Steg Kanal Kanal Wasser Steg GDL Kanal Steg Wasser Grafit GDL Wasser MPL

In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2 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 - 13 -

In-situ Visualisierung des Wasserhaushalts (AP 2 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 (30.09.2014) eingehalten werden können

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 15

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

MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Bewegung, Verdampfung und Kondensation Akzeptanzwahrscheinlichkeiten: Bewegung: Verdampfung: Kondensation:

MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3 MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Beispiel für Inputstruktur und Simuliertes System 3D-Struktur der GDL, Stegbereiche der BPP Hier ϴ GDL / Wasser: 92° (gemessen mit IGC, 2 Proben) Steg Homogene GDL-Oberfläche oder GDL-Oberfläche mit hydrophilen und hydrophoben Bereichen Carbon- fasern Pore Systemgröße für Simulation ist begrenzt, hier mehrere Ausschnitte von 500 x 250 x z µm³ z = GDL-Dicke + Anteil Kanal Study name “CA distribution”. Contact angles in literature: water/carbon 75-86°; water/PTFE 108-112 -> intention of study: difference between hydrophobic and hydrophilic surface. Beispiel: Simuliertes System mit hydrophilen und hydrophoben OF-Anteilen

Quasi in-situ Experiment: 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 Wasser z z Fest- material (Kohlenstoff, PTFE) K. Seidenberger, F. Wilhelm, J. Haußmann, H. Markötter, I. Manke, J. Scholta, J. Power Sources 2013, 239(0), 628-641

Experimentelle Visualisierung MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Beispiel Ergebnisse MC vs. Synchrotron-Tomographie (II) Monte Carlo Experimentelle Visualisierung 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

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 200 -300 µm, Kanal 0,6 bis 1,0 mm, Tiefe?) Benötigt: Verpressung Kontaktwinkel BPP und GDL Betriebsbedinungen: Temperatur, relative Feuchte, Gesamtdruck lokal 0.5 MPa 1.0 MPa

MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3 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

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

Tomographie der Referenzmuster (AP 2 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg H1410 3-D-Struktur

Tomographie der Referenzmuster (AP 2 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg H1410 3-D-Struktur

Tomographie der Referenzmuster (AP 2 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X0158 3-D-Struktur

Tomographie der Referenzmuster (AP 2 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X0158 3-D-Struktur

Tomographie der Referenzmuster (AP 2 Tomographie der Referenzmuster (AP 2.1) – Freudenberg X0158 3-D-Struktur