Nabern, R&D Daimler AG

Projekttreffen OptiGAA II

26. März 2014

F. Wilhelm, J. Haußmann, K. Seidenberger, J. Scholta

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-ForschungBaden-Württemberg (ZSW)

ZSW – Mikrostruktur, Visualisierung undSimulation von Flüssigwasser

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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

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

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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

StegKanal

Steg

KanalWasser

GDL

StegKanalWasser

GDL

MPL

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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

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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

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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

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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

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)(exp,1min 1

ifif EET

a

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

Akzeptanzwahrscheinlichkeiten:

• Bewegung:

• Verdampfung:

• Kondensation:

VapourFluidVapourFluidNN EEnT

acc 21 exp,1min

FluidVapourFluidVapourNN EEnT

acc 21 exp,1min

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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 von500 x 250 x z µm³z = 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 ϴ GDL / Wasser: 92° (gemessen mit IGC, 2 Proben)

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MC Modellierung des Wasserhaushalts (AP 3.5) – Beispiel Ergebnisse MC vs. Synchrotron-Tomographie (I)

Monte CarloMittlere Wasserverteilung nach Erreichen eines stationären Zustands

Quasi in-situ Experiment:Repräsentative Wasserverteilung nach 30 Minuten Betrieb

Fest-material

(Kohlenstoff, PTFE)

Wasser

zz

K. Seidenberger, F. Wilhelm, J. Haußmann, H. Markötter, I. Manke, J. Scholta, J. Power Sources 2013, 239(0), 628-641

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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

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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

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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

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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

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

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

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

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

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