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Lattice-Boltzmann-Simulation in faserbasierten Mikrostrukturen

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Lattice-Boltzmann-Simulation in faserbasierten Mikrostrukturen

Jan Philipp Brinkmann (Broschiert, Deutsch)

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Beschreibung

Die Brennstoffzelle unterliegt dem Prinzip aus Sauerstoff und Wasserstoff Strom zu gewinnen. In der realen Anwendung verbirgt sich dahinter meist ein sehr komplexes System, das die Grundlage für verschiedenste Forschungsbereiche bietet. Wesentlich für eine effiziente Funktionsweise ist das möglichst optimale Management der ein- und ausströmenden Gase. Für Polymerelektrolytmembran-basierte Brennstoffzellen trägt die Gasdiffusionsschicht entscheidend zur Gleichverteilung des Gases an der Elektrode bei. In Simulationen wird diese Schicht meist nicht gesondert aufgelöst, sondern geht als experimentell ermittelter Parameter in das jeweilige Modell ein. Die vorliegende Arbeit knüpft an diesem Punkt an und liefert ein auf strömungsmechanischen Methoden beruhendes Verständnis über die mikrometergroße Struktur der Gasdiffusionsschicht und über ihre Wirkungsweise in der Brennstoffzelle. Als virtuelle Struktur für die mit Gas durchströmte Schicht werden dabei verschiedene Datenquellen genutzt. Zum einen werden tomographische Aufnahmen realer Strukturen verwendet, zum anderen ein an der Universität Ulm entwickeltes stochastisches Modell. Um den stochastischen Eigenschaften des Materials Genüge zu tragen wird die Stichprobe des jeweiligen Materials entsprechend groß gewählt. So erfolgt die Strömungssimulation auf der Basis des parallelisierten Lattice-Boltzmann- Algorithmus auf einem makroskopischen Bereich. Die mikroskopische Struktur der Gasdiffusionsschicht wird dabei bis in die Faserstruktur aufgelöst und bei der Analyse berücksichtigt. Aus der Validierung des Algorithmus mit experimentellen und analytischen Referenzwerten für verschiedene Geometrien lassen sich die Werte für die vielfach in der Literatur verwendeten Eingangsparameter optimieren. Hierbei wird das single-relaxation-time-Verfahren mit der multirelaxation- time-Methode verglichen. Die Voraussetzungen für einen generellen Einsatz des Algorithmus, insbesondere in Bezug auf Gasdiffusionsschicht-Strukturen, sind damit gegeben. Der optimierte Lattice-Boltzmann-Algorithmus wird im Folgenden verwendet, um mit Strömungssimulationen auf der Basis von Kennzahlen die Strukturdaten im Vergleich mit experimentellen und analytischen Ergebnissen zu charakterisieren. Außerdem werden aus der Analyse von Minimalbeispielen, also auf bestimmte Merkmale reduzierte Geometrien, die Eigenschaften der Materialien, die sich auf den Gasfluss auswirken, identifiziert. So können Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Realisierungen des stochastischen Modells und den tomographisch ermittelten Daten entdeckt werden. Durch dieses Verständnis kann künftig ein Abbild des realen Materials schnell und kostengünstig simuliert werden. So entsteht prinzipiell die Möglichkeit der planbaren, virtuellen Konstruktion eines Gasdiffusionsschichtmaterials. Im letzten Kapitel wird der Bezug zur Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle hergestellt, der im Allgemeinen durch die Wahl der Randbedingungen gegeben ist. Die Gleichverteilung der Gasströmung an der Elektrode wird in einem Kanal-Steg-Szenario, das auf tomographischen Aufnahmen basiert, untersucht. Dies geschieht sowohl für ein einkomponentiges Anoden-Szenario als auch für ein Mehrkomponenten-System der Kathode. Für eine Gaskomponente kann gezeigt werden, wie die Gasverteilung von der Kompression der Brennstoffzelle abhängt. Außerdem wird nachgewiesen, dass bei etwa 30% Kompression keine Verbesserung der Verteilung mehr auftritt. Für zwei Gase im Kathoden-Szenario wird die prinzipielle Möglichkeit der Verwendung des zweikomponenten-Modells für die Brennstoffzelle gezeigt. Weniger zeigen

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Produktinformationen

Technische Daten

Erscheinungsdatum

01.01.2015

Sprache

Deutsch

EAN

9783893369959

Herausgeber

Forschungszentrum Jülich

Serien- oder Bandtitel

Schriften des Forschungszentrums Jülich Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment

Sonderedition

Nein

Autor

Jan Philipp Brinkmann

Seitenanzahl

129

Einbandart

Broschiert

Bandzählung

232

Schlagwörter

HT-PEFC, Brennstoffzellen, LATTICE-BOLTZMANN

Thema-Inhalt

P - Mathematik und Naturwissenschaften

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