Dieses Projekt wird in Kooperation mit dem Forschungzentrum Jülich, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin, der Technischen Universität Berlin und der Fa. Freudenberg FCCT bearbeitet. Dabei werden mathematische Modelle der räumlichen Stochastik entwickelt, um die Mikrostruktur von porösen Werkstoffen quantitativ zu beschreiben. Diese Werkstoffe werden in der so genannten Gasdiffusionslage (GDL) von Brennstoffzellen verwendet. Dabei wurden bisher vorwiegend GDL vom Papier-Typ mit geradlinigen Fasern untersucht (vgl. Abb. 1-3), während nun GDL vom Flies Vlies-Typ analysiert werden sollen, die aus deutlich gekrümmten Fasern bestehen (vgl. Abb. 4-5).

Die Brennstoffzellen-Technologie stellt einen effizienten Weg dar, um Wasserstoff in Elektrizität umzuwandeln. Dies erlaubt es, Ölprodukte als Energieträger in z.B. Automobilen oder U-Booten zu ersetzen.

Eine der Schlüsselkomponenten einer Brennstoffzelle ist die GDL. Sie ist einerseits für den Transport des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zu den Elektroden verantwortlich, wo die elektrochemische Reaktion stattfindet. Auf der anderen Seite hat sie die Aufgabe, entstandenes Wasser abzuleiten. Wichtig ist hierbei, nicht das gesamte Wasser abzuleiten, da Wasser für die Leitfähigkeit der Membran essentiell ist. Jedoch führt zuviel Wasser in der GDL zu einer Verstopfung der Poren, was wiederum den Gasfluss behindert. Somit ist das Gleichgewicht zwischen Wasserabtransport und Wasserspeicherung der Schlüssel zu einer hohen Leistungsfähigkeit. Zusätzlich agiert die GDL als Leiter für die erzeugte Elektrizität.

Zur Analyse der Zusammenhänge zwischen Struktureigenschaften und Transportprozessen in der GDL wird ein stochastisches Strukturmodell für GDLs mit gekrümmten Fasern in unterschiedlichen Kompressionszuständen entwickelt.

Mit Hilfe dieser Modelle sollen Strukturen detektiert werden, die optimale Transporteigenschaften aufweisen, was einen wichtigen Beitrag zur Produktentwicklung bzw. -verbesserung in dieser zukunftsweisenden Technologie darstellt.

Zielstellung: Virtuelles Materialdesign

• Entwicklung und Anpassung eines stochastischen Strukturmodells für GDLs mit gekrümmten Fasern
• Simulation von physikalischen Transportprozessen in simulierten Strukturen
• Quantifikation des Zusammenhanges zwischen Transporteigenschaften und Mikrostruktur
• Identifikation verbesserter Mikrostrukturen durch Comptuerexperimente

 

Dieses Forschungsprojekt ist in das Verbundprojekt "3D Analyse, Modellierung und Simulation der Mikrostruktur und Transportprozesse in faserbasierten porösen Materialien" im Rahmen der Schwerpunktförderung "Mathematik für Innovationen in Industrie und Dienstleistungen" des BMBF eingebunden.

 

Ansprechpartner: Prof. Schmidt