Vertiefung Simulation:
Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser. Dieses Wasser muss aus der Katalysatorschicht, wo die Reaktionen stattfindet, hinaustransportiert werden um Platz für neue Reaktanten zu schaffen. Geschieht dies nicht, stellt sich bald ein chemisches Gleichgewicht ein und es wird kein Strom durch Reaktionen produziert. Um eine durchgängige Stromversorgung zu gewährleisten, wird das produzierte Wasser über die Kathodenseite abgeführt. Dabei muss das Wasser durch verschiedene poröse Schichten transportiert werden. Durch Kondensation und Evaporation kann es als Wasserdampf und als flüssiges Wasser auftreten. In dieser Simulation wird der Flüssigwassertransport durch die hydrophobe Gasdiffusionsschicht, das heißt Wasser ist die nicht-benetzende Phase, berechnet. Bei dem Material der Gasdiffusionsschicht handelt es sich um eine beschichtete Karbonfaserstruktur. Auf der Porenskala ist dies eine inhomogene und anisotrope Struktur. Um den Wassertransport durch diese Schicht und die Austrittstellen des Wassers vorherzusagen, wird der Porenraum des Materials geometrisch vereinfacht und als Netzwerkstruktur dargestellt. Das heißt die großen Hohlräume werden als Poren (Netzwerkknoten) identifiziert und die offenen Verbindungen dazwischen als Porenhälse (Netzwerkarme). Die vereinfachte Darstellung ermöglicht eine effiziente Berechnung der Transportvorgänge, welche die porenskaligen Eigenschaften der Gasdiffusionsstruktur berücksichtigt.
Die Simulation zeigt an welchen Stellen flüssiges Wasser zuerst aus der Faserstruktur austritt. Mit dieser Information kann die Struktur optimiert werden um die gewünschte Wasserverteilung zu erzielen.
Alles Porös
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Simulationen von Vorgängen in der Brennstoffzelle
Simulationen von Vorgängen in der Brennstoffzelle
Simulationen spielen im Bereich der Brennstoffzelle eine wichtige Rolle, denn sie helfen dabei, die Vorgänge in Brennstoffzellen sichtbar zu machen. Sie helfen Forscher*innen zu verstehen, wie die porösen Schichten funktionieren, wie der Transport von Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser stattfindet und ob die Schichten eventuell optimiert werden müssen. Zum Beispiel, ob ein anderes Material oder eine andere Struktur verwendet werden muss. Die Erkenntnisse aus den Simulationen führen dazu, dass in der Produktion der Fahrzeuge Kosten eingespart werden können.
Credits: Universität Stuttgart / SFB 1313 / Cynthia Michalkowski
Dieses Beispiel zeigt ein Modell der GDL-Schicht einer Brennstoffzelle. Mit diesem Modell wird der Wasseranteil in den Poren simuliert. Das Wasser wird dabei mit Druck durch die poröse Schicht gedrückt und tritt an den markierten Stellen aus.