// Simulation des Stofftransports in den Mikrostrukturen realer Gasdiffusionslagen

Simulation des Stofftransports in den Mikrostrukturen realer Gasdiffusionslagen

Geschwindigkeitsprofil (GDL-Mitte)
Für die Leistung einer PEMFC ist der Reaktandentransport zum Katalysator durch die Gasdiffusionslage (GDL) limitierend. Inhomogenitäten der GDL- Mikrostruktur aufgrund ungleichmäßiger Verpressung oder der Blockade von Poren mit flüssigem Wasser erzeugen eine ungleichmäßige Stromdichteverteilung. Das vermindert die Zellleistung und beschleunigt die Komponentenalterung. Herkömmliche CFD-Modelle treffen bezüglich der GDL vereinfachende Annahmen und verwenden integrale Parameter wie Porosität und Permeabilität zur Berücksichtigung der porösen Struktur. Dadurch kann der Stofftransport gleichmäßiger erscheinen, als er in Wirklichkeit ist.

Für das Projekt wurde der konvektive Stofftransport in einem auf mikroskopischer Ebene real abgebildeten GDL-Substrat mit der CFD-Software AVL FIRE® simuliert (s. Abb. unten). Die Strukturen verschiedener GDL-Substrate wurden mit einem Computertomographen (μ-CT) mit einer nominellen Auflösung von 0,5 μm digitalisiert (s. Abb. oben). Anschließend wurde die 3-D-Oberflächengeometrie aufgearbeitet, das Oberflächengitter in AVL importiert und daraus das 3-D-Berechnungsgitter für die GDL-Substratporen erzeugt. Die GDL-Fasern besitzen einen mittleren Durchmesser von ca. 7–10 μm, der betrachtete Ausschnitt liegt bei 500 μm bei einer GDL-Dicke von 200 μm. Das daraus resultierende Berechnungsgitter besitzt ca. 10 Millionen Berechnungselemente.

Es hat sich gezeigt, dass der Stofftransport auf der Mikroskala der realen GDL-Poren nicht gleichmäßig stattfindet und dass es abhängig vom GDL-Material bevorzugte Transportpfade gibt. Aus den Ergebnissen können Transportparameter für die standardmäßigen CFD-Programme bestimmt und damit die Modellierungsgenauigkeit erhöht werden.

Ansprechpartner

Dr. Joachim Scholta
+49 731 9530-206
3D GDL-Microstruktur aus dem μ-CT. ZSW/ECB