Elektrische Eigenschaften von GDLs: Experimentelle und numerische Validierung
Validierung von Simulationen mit ConductoDict
Die elektrischen Leitfähigkeitssimulationen von GeoDict wurden durch den Vergleich numerischer Vorhersagen mit experimentellen Messungen an Toray TGP-H-060-Gasdiffusionslagen (GDLs) für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen validiert.
Hochauflösende Röntgen-CT-Aufnahmen der Proben bei verschiedenen Kompressionsgraden wurden zu dreidimensionalen digitalen Mikrostrukturen rekonstruiert, die direkt als Eingabe für die Leitfähigkeitssimulationen mit ConductoDict dienten. Die experimentell bestimmten elektrischen Leitfähigkeiten in In-Plane- und Through-Plane-Richtung unter unterschiedlichen Kompressionsgraden wurden anschließend mit den Simulationsergebnissen verglichen, um die Vorhersagegenauigkeit des Modells zu bewerten.
Validierung der Simulation elektrischer Leitfähigkeit in Gasdiffusionsschichten
Abbildung 1 zeigt drei rekonstruierte GDL-Strukturen bei zunehmender Kompression. Die Farben auf der rechten Hälfte jeder Struktur veranschaulichen die simulierte Stromdichteverteilung. Die in Abbildung 2 dargestellte Grafik vergleicht die simulierten Leitfähigkeitswerte mit den entsprechenden experimentellen Messungen. In der Richtung innerhalb der Ebene zeigen die GeoDict-Simulationen über den untersuchten Porositätsbereich hinweg eine hervorragende Übereinstimmung mit den Messdaten.
In der Richtung quer zur Ebene geben die Simulationen den Trend zwar wieder, überschätzen jedoch die Messwerte. Hier weichen Simulationen und Experimente voneinander ab, da der Kontaktwiderstand zwischen den Fasern nicht berücksichtigt werden konnte und das Bindemittel, das die Fasern miteinander verbindet, bei der Validierung im CT-Scan nicht von den Fasern unterschieden werden konnte.
Mit der neuesten GeoDict-Version wurden beide Einschränkungen überwunden. Es ist nun möglich, den Kontaktwiderstand in ConductoDict zu simulieren, und das FiberFind-Modul ermöglicht die Unterscheidung zwischen Bindemittel und Fasern in segmentierten CT-Scans.
Diese Validierung zeigt, dass tomographiebasierte GeoDict-Simulationen die elektrische Leitfähigkeit realer GDL-Mikrostrukturen genau vorhersagen können und die Untersuchung und Optimierung von Brennstoffzellenmaterialien unter Druck unterstützen.
Referenzen
Becker, J., et al., “Determination of Material Properties of Gas Diffusion Layers: Experiments and Simulations Using Phase Contrast Tomographic Microscopy”, Journal of The Electrochemical Society, 2009, 156(10).
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