Das Team Elektrochemische Zellen und Mikrostrukturen beschäftigt sich mit der Modellierung und Simulation von elektrochemischen Zellen für verschiedene Anwendungen: 


• Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen werden für den Antrieb von Schwerlastfahrzeugen wie Lastwagen entwickelt. Das Ziel ist es, Verbrennungsmotoren zu ersetzen, die derzeit mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Die wichtigste technische Herausforderung besteht darin, die Haltbarkeit der Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) zu erhöhen. Wir befassen uns derzeit im Rahmen des europäischen Projekts PEMTASTIC mit einer Kombination aus mikro- und mesoskaligen MEA-Modellen, die es ermöglichen, sowohl die Zellleistung als auch die Langlebigkeit bzw. Degradation bei Lastwechseln zu simulieren.
   
• Redox-Flow-Batterien (RFBs) sind eine Technologie für die Energiespeicherung von fluktuierendem erneuerbarem Strom aus Photovoltaik und Windkraftanlagen. Wässrige organische RFBs haben den Vorteil niedriger Lösungsmittelkosten und relativ hoher Leitfähigkeit. Zudem gewährleisten Elektrolyte auf Wasserbasis einen sicheren Batteriebetrieb. Als Ergebnis des europäischen Projekts SONAR haben wir kürzlich ein rechnerisch effizientes physikalisches Modell für eine organische RFB veröffentlicht. Das Modell eignet sich für die Anwendung im computergestützten «high-throughput-screening» zur Identifikation neuer aktiver Materialien.
   
• Elektrochemische Flow-Zellen sind eine Schlüsselkomponente der zukünftigen Synthesetechnologie in der chemischen Industrie, bei der elektrische Energie für die elektrochemischen Reaktionen verwendet wird. Der Einsatz von Flow-Zellen für die elektroorganische Synthese wird die Herstellung von Feinchemikalien oder Arzneimitteln unter Verwendung erneuerbarer Energie ermöglichen. Unser Team nimmt an dem europäischen Projekt MiEl teil, in dem wir an der Simulation von Elektrodenstrukturen und der modellbasierten Analyse und dem Design von elektrochemischen Flow-Zellen arbeiten.

Wir beschäftigen uns hauptsächlich mit der Modellierung und Simulation von elektrochemischen Flow-Zellen auf drei Längenskalen, nämlich der elektrochemischen Doppelschicht, mesoskaligen Modellen zur Verknüpfung von Prozessen, die auf der Doppelschichtskala und der Kontinuumsdarstellung poröser Elektroden ablaufen und Modellen auf der Zellskala.  Dabei berücksichtigen wir die Kopplung von elektrochemischen Reaktionen und Transportphänomenen von Impuls, Masse, Wärme und Ladung. Wir verwenden diese Modelle, um die Zellleistung und Degradationsphänomene zu simulieren, aber auch für Parametersensitivitätsstudien und zur Analyse der «parameter uncertainty propagation».