Motivation
Gasdiffusionselektroden (GDE) sind komplexe Funktionsmaterialien, die in verschiedenen technisch bedeutsamen elektrochemischen Prozessen wie Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien eingesetzt werden. Ziel der neuen Forschergruppe ist es, die komplexe Interaktion von Reaktions- und Transportprozessen in den Gasdiffusionselektroden und ihren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Elektroden insgesamt zu verstehen und quantitativ zu beschreiben. Bisher ist die Detektion von Einzelprozessen meist nicht direkt, sondern nur indirekt über physikalisch messbare Größen wie Strom/Spannung etc. möglich, die aus der Summe vieler beteiligter Prozesse resultieren. Zudem sind die ermittelten Messdaten meist flächen- oder volumengemittelt. Durch die Arbeiten in diesem Teilprojekt sollen ortaufgelöste Simulationen von realen Systemen und Modellsystemen des lokalen Stoff- und Ladungstransports auf der Porenskala durchgeführt werden, um die geometrische Struktur optimieren zu können.
Projektbeschreibung
In diesem Teilprojekt soll zunächst eine modellbasierte Simulation für die Prozesse der Elektrolytverteilung und des Transports auf der Porenskala entwickelt werden. Dabei gilt ein besonderes Augenmerk der Gas-/Flüssig-Verteilung, welche einerseits durch die Reaktionskinetik, andererseits durch hydro- und thermodynamische Effekte in Verbindung mit der hydrophob/hydrophil strukturierten Porenoberfläche getrieben wird. Dazu sollen die bestehenden SPH-Modelle des Instituts in Bezug auf Oberflächenspannung, dynamische Benetzung und Evaporation zusammengeführt werden. Die in der Simulation bestimmte örtliche Verteilung der Benetzung dient der Identifikation von aktiven bzw. geblockten Oberflächenbereichen des Katalysators. Um diese Schlüsselgrößen zu erhalten, soll die reale Porenmorphologie und ihre unterschiedliche hydrophob/hydrophile Oberflächenbeschaffenheiten als Randbedingung in das SPH-Modell eingehen. Aus numerischer Sicht stellt die komplexe, 3-dimensionale Porenraumstruktur auf der Mesoskala eine Herausforderung im Hinblick auf Rechenaufwand, numerische Stabilität und Quantität der Prozessparameter dar. Die ortsaufgelöste Modellierung der Benetzung technischer Elektroden mit der SPH Methode ist zudem ein Novum. Das Ziel dieser Arbeit ist es belastbare Hinweise für die Entwicklung einer optimalen Porenmorphologie für den jeweiligen Anwendungsfall geben zu können.