Lattice-Boltzmann-Simulation in faserbasierten Mikrostrukturen

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.