zhaw icp research report 2014

Research Report 2014

Zurich Universities ofApplied Sciences and Arts www.zhaw.ch/engineering Research & Development

Contact shape optimization of a Coulometric generator cellwith help of current streamlines.

Optimierung der Kontaktgeometrie einer Coulometer-Generatorzelle mit Hilfe von Stromlinien.

Contents

Preface 3

Vorwort 4

1 Multiphysics Modeling and More 5

1.1 Modellierung von Menschenmassen mit hoher Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2 pi-Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Optimierung von porsen Diaphragmen (Teil 1):

Modellgesttzte Materialentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Optimization of porous Diaphragms (Part 2):

3D Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5 Entwicklung einer systemdynamischen Methode zur

Beschreibung von Holzvergasungsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 Simulation des Nano-Dosierverhaltens von Flssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7 Active Thermography for Dermatological Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.8 Highly Sensitive Thermal Characterisation of Responsive Nanoparticles . . . . . . . 13

1.9 Verbesserte Khlprozesse fr die Schokolade-Produktion . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.10 Linking Microstructure to Effective Transport Properties: a Predictive Model . . . . . 16

1.11 Effects of pore morphology and drainage on elastic properties of Opalinus Clay . . . 17

1.12 Zeit sparen und Ausschuss reduzieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.13 Pulverlacke mikrometergenau applizieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.14 Enthalpy model of melt-crystals phase-changing kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.15 Coulometric system with generator cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 Fuel Cells and Energy Systems 23

2.1 The development of a thermo-neutral fuel cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2 Simulation von Wrmetransport in Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Reduzierung der Ohmschen Verluste in neuer Generation von Hexis Brennstoffzellen 26

2.4 Thermisch-Fluidische Simulation eines SOFC-Moduls . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.5 Quantification of SOFC stack degradation and fuel distribution based on current

voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.6 Multi-phase modelling of a hydrogen generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.7 Microstructure effects in Ni-YSZ anodes: Optimizing performance and redox stability 31

2.8 Designing multifunctional materials for PEMFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1

Institute of Computational Physics Research Report 2014

2.9 Transmission-Line-Modell zur Analyse von Impedanzspektren von Hochtemperatur-

Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3 Solar Cells and Organic Electronics 343.1 F&E-Tools fr die OLED Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2 Charge transport in multilayer semiconductor devices . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3 Light Scattering Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4 Optoelectronic Modeling of Hematite Photoelectrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.5 Dotierung von organischen Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.6 Numerical Simulation of Stacked OLEDs and Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.7 Verbesserte Farbstoffsolarzellen fr Hausfassaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.8 Degradation Analysis of Organic Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.9 Modellbasierter Reglerentwurf fr die Temperaturregelung eines Kryostaten . . . . . 43

3.10 Berechnung des Lichtstreuverhaltens von rauen Schichten in OLEDs . . . . . . . . . 44

3.11 Verstrkerschaltung fr transiente Messung an Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . 45

Appendix 47A.1 Student Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

A.2 Scientific Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

A.3 News Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

A.4 Conferences and Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

A.5 Public Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

A.6 Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

A.7 Prizes and Awards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

A.8 Teaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

A.9 ICP-Team . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

A.10 Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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Research Report 2014 Institute of Computational Physics

Preface

The art of maintaining ones creativity while being flooded with emails

My days as ICP head are counted. I associate it with many wonderful experiences for which I amvery grateful. But now I am looking forward to be back soon immersed in my own research andteaching and spending time with my direct colleagues.I want to use this editorial to share a few thoughts about a non-technical topic, i. e., the curse andblessing of efficiency and digital communication. It surely makes our daily work more predictableand reliable and we also benefit from it in our private lives. Nobody likes to wait on a train run-ning behind schedule, without being at least adequately informed about the reasons for the delay.Without question, efficient processes and good communication are important. But if treated asforemost maxim, we risk losing our creativity and passion for our real tasks.For example, I am unhappy if answering emails becomes the main employment of the day. This isdifferent when I can devote myself to my duties as a lecturer and researcher: in preparing lecturesor inspiring the students for our research. Or in developing computer models to make complexphysical processes understandable and of course exchanging thoughts and ideas with otherresearchers and partners from industry. To me, the work of engineers and scientists is as creativeas the work of an artist or craftsman. This requires freedom. How can we help to create suchan inspiring environment ? The responsible use of our time is crucial. But this is only possibleif we show understanding for each others work and give each other confidence. Each personhas his own rhythm of work. It may seem efficient when research partners exchange as manyresults in the shortest possible. But often only brainstorming in a small group brings up really newideas. Passion and creativity needs freedom spiritually and temporally. Im not alone with thisperception. See, for example, the articles of the business magazine brandeins dealing with theimportance of passion, creativity and confidence in our professional lives [1].I encourage you to shape your own professional life actively to unfold your talents and needs. Thinkalso of little things. A chat during a coffee or lunch break might lead to better solutions than pagesof emails.

Thomas Hocker, head ICP

[1] Articles in business magazine brandeins about the importance of passion, creativity and confi-dence in our professional lives (in German):

www.brandeins.de/archiv/2003/wachstum/leidenschaft

www.brandeins.de/archiv/2007/ideenwirtschaft/wer-hat-angst-vor-kreativen

www.brandeins.de/archiv/2008/liebe

www.brandeins.de/archiv/2014/vertrauen

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Vorwort

Die Kunst, trotz Emailflut kreativ zu sein

Meine Tage als ICP-Leiter sind gezhlt. Ich verbinde damit viele schne Erlebnisse, fr die ichsehr dankbar bin. Doch nun freue ich mich darauf, bald wieder voll in die eigene Forschung undLehre einzutauchen und Zeit mit meinen direkten Kolleginnen und Kollegen zu verbringen. Ichmchte das Editorial des ICP-Forschungsberichts 2014 dazu nutzen, ein paar Gedanken zu Fluchund Segen von Effizienz und digitaler Kommunikation zu teilen. Unser Berufsalltag wird dadurchplanbarer und zuverlssiger und wir profitieren auch im Privaten davon. Niemand wartet gerne imZug, der lngst losfahren sollte, ohne zumindest angemessen ber die Versptung informiert zuwerden. Die Bedeutung effizienter Prozesse und guter Kommunikation steht also ausser Frage.Erheben wir sie jedoch zur obersten Maxime, laufen wir Gefahr, unsere Kreativitt und Leiden-schaft dabei zu verlieren.Wenn beispielsweise die digitale Kommunikation zur Hauptbeschftigung des Tages wird, werdeich unzufrieden. Ganz anders ist das, wenn ich mich meinen Aufgaben als Dozent und Forscherwidmen kann: dem Vorbereiten von Vorlesungen, die Studenten zum Nachdenken anregen und frunser Metier begeistern. Oder dem Entwickeln von Computermodellen, um komplexe physikalis-che Prozesse verstndlicher zu machen und natrlich dem Austausch mit anderen Forschendenund Kooperationspartnern aus der Industrie. Die Arbeit von Ingenieuren und Naturwissenschaftlernist fr mich ebenso kreativ wie die Arbeit eines Knstlers oder Handwerkers. Dazu braucht esFreirume. Wie knnen wir dazu beitragen, solch ein inspirierendes Umfeld zu schaffen ?Der verantwortungsvolle Umgang mit unserer Zeit steht fr mich dabei ganz oben. Dies ist aber nurmglich, wenn wir Verstndnis fr die Arbeit des anderen aufbringen und ihm Vertrauen schenken.Jeder Mensch hat seinen eigenen Arbeitsrhythmus und bentigt andere Freirume, um sich voll zuentfalten. Es mag effizient erscheinen, wenn Forschungspartner in mglichst kurzer Zeit mglichstviele Forschungsergebnisse austauschen. Doch erst im kleinen Kreis beim Brainstorming entste-hen oft wirklich neue Ideen. Leidenschaft und Kreativitt braucht Freirume geistig und zeitlich.Dass ich mit dieser Wahrnehmung nicht alleine bin, veranschaulichen Artikel des Wirtschafts-magazins brandeins, die sich mit der Bedeutung von Leidenschaft, Kreativitt und Vertrauen imBerufsalltag beschftigen [1].Ich mchte Sie dazu ermutigen, Ihren eigenen Berufsalltag aktiv mitzugestalten, um sich entspre-chend Ihrer Talente und Bedrfnisse zu entfalten. Denken Sie dabei auch an die kleinen Dinge.Ein persnliches Gesprch in der Kaffee- oder Mittagspause klrt offene Fragen vielleicht schnellerals seitenlange Emails.

Thomas Hocker, Institutsleiter ICP

[1] Wirtschaftsmagazin brandeins zu den Themen Leidenschaft, Kreativitt und Vertrauen imBerufsalltag:

www.brandeins.de/archiv/2003/wachstum/leidenschaft

www.brandeins.de/archiv/2007/ideenwirtschaft/wer-hat-angst-vor-kreativen

www.brandeins.de/archiv/2008/liebe

www.brandeins.de/archiv/2014/vertrauen



1 Multiphysics Modeling and More

The enduring miniaturization of technical devices and processes often requires the developmentof multifunctional components where a multitude of coupled phenomena take place. Examplesinclude integrated multifunctional environmental sensors and mutlifunctional materials such as fuelcell electrodes. Due to their inherent complexity, detailed physical-chemical models combined withrobust numerical solution methods is almost a necessity for the design and optimization of suchdevices. Multiphysics modeling is a powerful tool for exploring a wide range of phenomena and thepast decades have been a period of rapid progress in this area. In fact, a Google search of thisneologism returns more than 600000 results. The possible range of applications has been widelyexpanded and numerical methods have become increasingly sophisticated and adapted to exploitavailable computational resources.At ICP we perform research and co-develop the finite element (FE) software NM-SESES for mul-tiphysics modeling tailored to the needs of our partners. Our extensive experience in numeri-cal analysis, modeling and simulation covers nearly all types of micro-macro devices and a widerange of governing equations of classical physics. We also develop single-purpose numerical toolsspecifically tailored to the needs of our partners or use commercial software if better suited.



1.1 Modellierung von Menschenmassen mit hoher Dichte

Gefahren bei Groveranstaltungen sollen knftig durch verbesserte Simulationen frh er-kannt werden. Ein Interesse, dass Jedermann im ffentlichen Raum, insbesondere die Ver-antwortlichen wie Polizei, Veranstalter und Raumplaner haben. Zusammen mit der ZrcherASE GmbH entwickelt das ICP przise Modellrechnungen fr Menschenstrme.

Contributors: R. AxthelmPartners: ASE GmbHFunding: KTIDuration: 20132015

Chaos beim Crowd-Management (TAZ), TdlicheMassenpanik in Schanghai (ka-news), Als einFuballstadion zur Todesfalle wurde (Die Welt)Solche und hnliche Schlagzeilen erfahren wir fasttglich aus den Nachrichten. Und selbst kennt je-der das unbehagliche Gefhl, wenn man dichtge-drngt vor der Konzerttribne steht (s. Abb. 1) oderin einer Grostadt-U-Bahn in der rush-hour unter-wegs ist und kaum Platz zum Atmen hat.

Abb. 1: Dicht gedrngtes Warten auf die Band, Quelle: pri-vat.

Dies motivierte uns, zusammen mit der Firma ASEGmbH, eine entsprechende Simulationssoftwarezu entwickeln. Die Software basiert auf einem neu-en Modellansatz altbekannter Gleichungen, diedann aber noch fr die speziell anvisierten An-wendungsfelder erweitert und angepasst wurden.Physikalisch fordern wir Masseerhaltung der Men-schenmenge und das Streben eines jeden, denRaum unter Vermeidung hoher Dichten schnellst-mglichst zum nchstgelegenen Ausgang zu ver-lassen. Zusammenfassend lsst sich die Situationdurch die Kontinuitts- und Eikonal-Gleichung be-schreiben:

%t (% f(%) ||

)= 0 , || = 1

f(%)

Bis Mitte 2014 wurde in einem ersten Ansatz dasModell auf eine Raumdimension reduziert. Damitlieen sich bereits erste Rechnungen fr schma-le Bahnsteige, auf denen Passanten eine gemein-

same Richtung haben, durchfhren. Die numeri-schen Ergebnisse wurden durch reale Situationenauf Bahnsteigen verglichen. Diese Validierungenzeigten bereits sehr gute und vielversprechendeErgebnisse.Anschlieend erweiterten wir das Modell und diezugehrige Software auf zwei Raumdimensionen.Die Validierung der neuen Algorithmen ist nochnicht abgeschlossen aber es knnen bereits ers-te qualitative Eindrcke bewertet werden. So zeigtAbb. 2 beispielhaft die Bewegungsrichtungen derFestteilnehmer, wenn sie den Mnsterhof in Z-rich am Ende der Veranstaltung verlassen wollen.Die Bercksichtigung von Hindernissen, wie es beidiesem Beispiel erforderlich ist, ist von besonde-rer Relevanz, da jedes nichtkonvexe Gebiet durchseine spezielle Form Hindernisse enthalten kannauch wenn keine Hindernisse explizit platziert wur-den. Beim aktuellen Stand knnen wir schon vonqualitativ guten Ergebnissen und, vom Eindruckher, von realittsnahen Abbildungen sprechen.

Abb. 2: Evakuierungsszene auf dem Mnsterhof in Zrich.

Im kommenden Jahr wird das Modell auf mehre-re, aneinander angelegte Rume erweitert wer-den. Damit knnen dann Fugngersimulatio-nen in Rumlichkeiten auf mehreren Etagen, diebeispielsweise mit Treppenaufgngen verbundensind, durchgefhrt werden.



1.2 pi-Vision

Die Kombination aus Mikrocomputern und effizienter Bildverarbeitung ist ein spannendesund rasant wachsendes Querschnittsthema, das nahezu unerschpfliches Potential in In-dustrie und Hochschule besitzt. Im Projekt soll die Expertise des ICP, in Zusammenarbeitmit anderen Instituten und Zentren an der ZHAW, im Bereich Bildverarbeitung ausgebautund vernetzt werden.

Contributors: R. AxthelmPartners: IAMP, IDP, IMS, InIT, ZSNFunding: SonderfinanzierungDuration: 2014

Guten Tag. Ich kenne Sie nicht, aber Sie sehenaus wie Brad Pitt, knnte Ihre Begrung des fer-tiggestellten Demonstrators des piVision Projektssein.

Abb. 1: Raspberry Pi, Qielle: privat.

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein mobilesSystem zur rechnergesttzten Gesichtserkennungentwickelt. Das System beinhaltet eine Kameraund wird ber einen Raspberry Pi (Abb. 1), einenvollwertigen Mikrocomputer von der Gre einerKreditkarte, gesteuert. Es ist in der Lage, sowohlStandbilder als auch Videos aufzunehmen und dieGesichter der aufgenommenen Personen zu iden-tifizieren. Im Projekt wurde untersucht wie sich ver-schiedene Algorithmen zur Bilderkennung auf sol-chen eher leistungsschwachen Architekturen ein-setzen lassen. Die Entwicklung des Kamerasys-tems mit Gesichtserkennung diente dabei primrals proof-of-principle und illustriert den Kompe-tenzaufbau und die interne Vernetzung von SoE-Expertinnen und Experten. Im Bereich der Bild-verarbeitung zielte piVision einerseits darauf ab,bestehende Algorithmen hinsichtlich Rechenauf-wand, Zuverlssigkeit und Genauigkeit zu untersu-chen. Daneben war das Beschreiten neuer Wege,etwa die Entwicklung und Bewertung neuer Algo-rithmen zur Bilderkennung und Bildanalyse, oderderen effiziente Implementierung auf Mikrocompu-tern, ein wesentliches Projektziel. Das im Projektgemeinsam neu generierte Wissen ber Bildverar-beitung fliet dabei direkt in aktuelle Forschungs-projekte beispielsweise im Gebiet Medizintech-

nik der beteiligten Institute und Zentren ein. Sokann es als Basis fr neue Innovationen und inter-disziplinre Projekte dienen. Im Verlaufe des Pro-jektes ist es gelungen, durch Untersuchung ver-schiedener Methoden zur Bilderfassung und Ge-sichtserkennung, Algorithmen zu entwickeln, dienicht nur deutlich schneller, sondern auch erheb-lich genauer arbeiten als die Standardmethoden,die in frei verfgbaren Softwarepaketen wie etwaOpenCV implementiert sind. Dazu gehren nichtnur traditionelle Anstze wie beispielsweise Eigen-faces, sondern auch Local Binary Pattern histo-grams in Kombination mit Support Vector Machi-nes, oder hochmoderne Deep Learning Algorith-men, die auf neuronalen Netzen basieren und inaller Regel eine sehr hohe Rechenleistung benti-gen. Im Dezember 2014 wurde ein Prototyp in Be-trieb genommen, der in der Lage ist, die Mitgliederdes Projektteams mit einer Trefferquote von mehrals 95% zu identifizieren. Das Erlernen der Ge-sichter im Trainingsset (Abb. 2) wurde auf einemrechenstarken PC durchgefhrt, die Gesichtser-kennung selbst findet auf dem Raspberry Pi statt.

Abb. 2: Training- (oben) und Testsets (unten), Quelle: Pro-jektteam.

Ein Demonstrationsvideo, das die wichtigs-ten Resultate, einschliesslich einer Echtzeit-Demonstration, zusammenfasst ist online verfg-bar unter http://youtu.be/oI1eJa-UWNU.

Literatur:[1] O. Drr, R. Axthelm, M. Loeser et al., DeepLearning Algorithms for Efficient Face Recogniti-on on a Raspberry Pi, Eurographics Conference,2015, submitted.



1.3 Optimierung von porsen Diaphragmen (Teil 1):Modellgesttzte Materialentwicklung

Fr eine pH-Messelektrode soll ein leistungsoptimiertes, keramisches Diaphragma entwi-ckelt werden. Um die Zusammenhnge der physikalischen Einflsse auf die Diaphragma-leistung besser zu verstehen und somit gezielt bestimmte Eigenschaften des Materials op-timieren zu knnen, wird die vom IMPE durchgefhrte Materialentwicklung durch Modell-rechnungen von der Seite des ICP untersttzt.

Contributors: G. Boiger, T. OttPartners: Mettler-Toledo AG, IMPEFunding: KTIDuration: 20142015

Bei der pH-Messung mithilfe von elektroche-mischen Sensoren, den sogenannten pH-Messelektroden (s. Abb. 1), kann es in den Be-reichen mit sehr grossen oder sehr niedrigen pH-Werten zu markanten Messfehlern kommen.

Abb. 1: schematischer Aufbau einer Referenzelektrode undderen Diaphragma.

Von folgenden Eigenschaften ist bekannt, dass sieerheblichen Einfluss auf die Performance des Dia-phragmas haben: elektrische Leitfhigkeit sowieAusflussgeschwindigkeit und rate des Elektroly-ten. Um die Messfehler zu verringern, muss ei-nerseits der elektrische Widerstand des Diaphrag-mas verringert, bzw. andererseits die Ausflussge-schwindigkeit des Elektrolyten erhht werden. Daes sich bei der Messelektrode um ein wartungs-freies Modell handelt, beschrnkt die Ausfluss-

rate des Elektrolyten die Lebensdauer der Elek-trode. Doch muss mit einer hohen Ausflussge-schwindigkeit das Eintreten von Fremd-Ionen indie Elektrode verhindert werden, da ein solchesdie Zerstrung der Elektrode zur Folge htte. Dierelevanten Phnomene, nmlich Diaphragmastr-mung und Leitfhigkeit wurden in einem semiana-lytischen Modell beschrieben. Somit knnen dieEinflsse der einzelnen Parameter auf die Opti-mierungskriterien untersucht werden.

Abb. 2: Abhngigkeitsdiagramm der physikalischen Eigen-schaften und Optimierungskriterien.

In Abb. 2 sind die Proportionalitten zwischenProzess- und Materialparametern einerseits sowieder Optimierungskriterien andererseits dargestellt.Entlang der positiven Pfeilrichtung findet durch diejeweiligen Variablen, eine Verschiebung der Eigen-schaften des Gesamtsystems vom Ausgangskri-terium zum Zielkriterium statt. Das neue Modellwird in Zukunft entscheidend dazu beitragen, dieMaterialentwicklung gezielt in Richtung gewnsch-ter Optimierungskriterien zu leiten und Vorschlgehinsichtlich optimierter Strukturen zu formulieren.



1.4 Optimization of porous Diaphragms (Part 2):3D Microstructures

The aim of this study is to optimize effective transport properties i. e. conductivity, diffu-sivity and permeability of porous Diaphragms for pH-sensors. These properties stronglydepend on the pore structure. In our research we investigate quantitative relationships be-tween pore topology (percolating pore volume fraction , tortuosity and constrictivity )with effective transport properties. In collaboration with our experimental research part-ners in industry and university, we use these relationships to establish new approaches forknowledge based materials optimization.

Contributors: L. Holzer, O. Pecho, O. StenzelPartners: Mettler-Toledo AG, IMPE, ScopEM-ETHZFunding: CTIDuration: 20142015

Porous YSZ diaphragms are produced by our part-ner institute (IMPE) using powder processing, ex-trusion and sintering. The microstructures canbe influenced in many ways: e. g. by varying thesinter-temperatures and -times, by using ceramicpowders with different grain sizes, or by addingvariable amounts of pore formers with differentsizes and shapes. In order to control the finaltransport properties it is also crucial to understand,how the mentioned processing parameters corre-late with the relevant microstructure parameters.For this purpose we investigate the materials withfocused ion beam (FIB) tomography, 3D imageanalysis and transport simulations.

Fig. 1: 3D Pore structure of extruded YSZ, sintered at 1250,1300 and 1350 C.

Fig. 1 illustrates the 3D-pore structures for a se-ries of samples. Increasing the sintering tem-perature from 1250 C to 1350 C leads to sig-nificant variations in the pore structures and hasa crucial impact on the corresponding transportproperties. The effective conductivity decreasesdrastically from 1.1 S m1 at 1250 C to less than

0.006 S m1 at 1350 C. This drop in conductiv-ity can be attributed to decreasing bottleneck di-mensions , loss of connectivity and increasinglength of transport pathways , see Fig. 2. Materi-als with suitable effective properties (high enoughconductivity and low enough permeability) are ob-tained at 1300 C.

Fig. 2: Pore topology (, , ) in extruded YSZ, as a functionof sinter-temp. (1250, 1300, 1350 C), and the correspond-ing effective conductivities.

The current investigations focus on the influencesof sinter-time (15 h at 1300 C) and of pore for-mers (volume and shape). With these parametersthe effective properties can be fine-tuned in a con-trolled way.

Literature:[1] G. Gaiselmann et al., AIChE J., 60, 2014.[2] L. Holzer et al., J. Mat. Science, 48, 2013.



1.5 Entwicklung einer systemdynamischen Methode zurBeschreibung von Holzvergasungsprozessen

Der Schlssel zum Verstndnis der Holzvergasung liegt in thermochemischen Reaktionen,deren Gleichgewichten, sowie den beteiligten, molekularen Spezies. Das ICP entwickelt einneues Modell das anschauliche Methoden der Systemdynamik zur Untersuchung dieserhochdynamischen Vergasungsvorgnge nutzbar macht.

Contributors: G. BoigerPartners:Funding: ICPDuration: 2014

Wer einen derart instabilen Prozess, wie jenen derVergasung von Holzabfllen grosstechnisch nut-zen will, muss diesen auch durchdringend verste-hen. Leider existiert noch keine Messtechnologie,die es erlaubt lokale Temperaturen, Gaszusam-mensetzungen oder Reaktionsgeschwindigkeitenim Inneren eines thermochemischen Reaktors be-lastbar zu verfolgen. Hier kommt das ICP ins Spiel.Wir haben eine Modellierungsmethode entwickelt,die der Thermochemie der Holzvergasung auf an-schauliche Art und Weise auf den Grund geht.

Abb. 1: Ausschnitt aus dem Systemdynamischen Holzver-gasungsmodell. Stoffbilanzen.

Im Zuge des vergangenen Jahres ist es uns ge-lungen systemdynamische Methoden derart ein-zusetzen, dass ein hochtransienter Simulator deskomplexen, reagierenden Systems der wichtigstenHolzgaskomponenten (CO2, CO, CH4, H2O, H2und O2) entwickelt werden konnte. Abb. 1 zeigteinen Ausschnitt des Modelles. Dabei wird deut-lich, dass die wichtigsten Elemente der Softwaregrafisch dargestellt werden knnen. Dies ermg-licht u.A. ein besseres Erkennen der wesentlichenZusammenhnge.

Durch gezielte Vergleiche zwischen einem traditio-nellen Lagrange Multiplier Modell und dem neuenSystemdynamikmodell ist es uns bereits gelungenbeide Lser wechselseitig zu verifizieren.

Abb. 2: Gaszusammensetzung des Holzgasgemisches(T=800 K, O/C Verhltnis: 1.5, H/C Verhltnis: 2.88) undmittlere freie molare Gibbs Energie gegen Reaktionszeit.

Das Systemdynamikmodell erlaubt es nun, so-wohl die jeweiligen Gleichgewichtszustnde, alsauch den dynamischen Verlauf der lokalen Gas-zusammensetzungen auf dem Weg zu die-sen Gleichgewichten zu simulieren (s. Abb. 2).Dies ermglicht letztlich auch die Kopplung reinthermo-dynamischer Aspekte mit transport- oderreaktions-kinetischen Gesichtspunkten des Pro-zesses. Dadurch kann ein vielseitigeres und rea-littsnheres Abbild vom Inneren einer reagieren-den Holzschttung gewonnen werden, als diesbisher mglich war. Ein weiterer Schritt zum Ver-stndnis der Holzvergasung ist uns somit gelun-gen.

Literatur:[1] G. Boiger, A thermo fluid dynamic model ofwood particle gasification and combustion proces-ses, The International Journal of Multiphysics, Vol.8, No. 2, 203230, 2014.



1.6 Simulation des Nano-Dosierverhaltens von Flssigkeiten

In der Pharmaindustrie ist es hufig notwendig, Wirkstoffe im Nanoliterbereich zu dosieren.Da sich das Studium des Dosierverhaltens solch geringer Mengen experimentell extremschwierig gestaltet, wird ein Modell erstellt, welches den Dosiervorgang nachbildet. Da-durch soll eine Vorhersage der Dosiermenge und des Ausstrmverhaltens in Abhngigkeitder Fluideigenschaften und des Vordrucks mglich werden.

Contributors: M. Boldrini, S. Zangerl, G. BoigerPartners: NovartisFunding: ICPDuration: 20132014

Bei der Dosierung von pharmazeutischen Flui-den kommen piezo-elektrisch betriebene Mikro-ventile zum Einsatz. Neben der ffnungszeit unddem Ventilhub ist die Dosiermenge von verschie-denen Faktoren abhngig. Dazu gehren der Vor-druck, der Ventildurchmesser, Oberflcheneffek-te und reine Fluideigenschaften wie Dichte, Vis-kositt sowie Parameter zur Beschreibung eineskomplexeren nicht-newtonschen Fliessverhaltens.Durch all diese Faktoren ist es bis anhin nurschwer mglich jeweils vorab abzuschtzen, wiesich ein neues Fluid in der bekannten Anlage ver-halten wird. Da sich entsprechende Justierungs-versuche jedoch als aufwendig und kosteninten-siv darstellen, entwickelt das ICP nun ein Modell,welches Aufschluss ber das Verhalten beliebigerFluide liefern soll. Somit soll knftiger Experimen-talaufwand minimiert werden.

Abb. 1: Dreidimensionale Geometrie.

Fr die Entwicklung des Modells hat man sich da-fr entschieden von einem zweiphasigen, turbu-lenten, inkompressiblen Strmungsszenario aus-zugehen, welches sowohl stationr als auf transi-ent zu betrachten ist. Anhand der, in OpenFoam

durchgefhrten, numerischen Simulationen sollensowohl die quantitative Dosiermenge als auch dasqualitative Ausstrmverhalten des Mediums unter-sucht werden.Zu Beginn wurde mit einem zweidimensionalengeometrischen Modell gearbeitet, welches sichlediglich fr eine grobe Abschtzung der ent-scheidenden Effekte eignete. Die Entwicklung ei-nes komplexeren, dreidimensionalen Modells (s.Abb. 1) wurde aber bald notwendig.ber verschiedene Entwicklungsschritte wurde zu-letzt eine dreidimensionale Nachbildung der Geo-metrie erstellt, welche durch den gezielten Einsatzangepasster Wandfunktionen des sst-k-omegaTurbulenzmodelles eine drastische Verringerungder Abweichung zwischen Simulationsergebnis-sen und Experimenten erzielen konnte (siehe Fig2).

Abb. 2: Ausstrmgeschwindigkeit in gegen Vordruck. Bei-spiel: Wasser. Vergleich 2D Modell (schwarz), 3D Modell(blau), Experiment (rot).

In weiteren Schritten wird der Einfluss vonWandreibungseffekten genauer studiert, um dieVorhersagegenauigkeit der Simulationen weiterverbessern zu knnen.



1.7 Active Thermography for Dermatological Applications

In collaboration with Dermolockin GmbH, we are trying to develop a new thermography-based system for the detection of skin cancer.

Contributors: M. Bonmarin, R. Ritzmann, B. SchmidPartners: ZPP, Dermolockin GmbHFunding: Gebert Rf FoundationDuration: 20142015

Dermolockin GmbH has recently developed a firstprototype based on active thermography to detectskin cancer. The aim of the device is to imagewith high accuracy, the margins and the penetra-tion depth of non-melanoma skin lesions. The firstversion of the diagnostic tool suffered from severallimitations, see Fig. 1. Thanks to the support ofthe Gebert Rf Foundation, a second version ofthe device with improved capabilities is under con-struction. In this new prototype, particular attentionhas been paid to the device usability so as to therespect of current medical device regulations.

Fig. 1: Picture of the current Dermolockin prototype.

Fig. 2: Sketch of the new device head (ZPP).

Fig. 3: Sketch of the new cooling unit (ZPP).



1.8 Highly Sensitive Thermal Characterisation of ResponsiveNanoparticles

We developed an innovative imaging setup for the thermal characterisation of responsivenanoparticles.

Contributors: M. BonmarinPartners: Adolphe Merkle Institute - UniFr, Dermolockin GmbHFunding: UniFr, ZHAWDuration: 20142015

Stimuli-responsive particles such as superparam-agnetic nanoparticles or gold nanorods have hugepotential in nanomedicine. They are used tokill cancerous cells or to stimulate drug releasefrom containers. Although some applications havefound their way into clinics, a lot are still in the re-search phase. As a result, many public and pri-vate laboratories worldwide are working to developthese novel nanoparticles, whose most importantfeature is their ability to generate heat.Together with the Adolphe Merkle Institute (AMI),the ICP has recently developed an innovative tech-nology for the thermal screening of potential med-ical nanoparticles. Thanks to outstanding imagingcapabilities, the device allows to quickly and ac-curately investigate the heat generated by multi-ple nanoparticle samples, drastically reducing themeasurement time.

Fig. 1: TEM image of magnetic nanoparticles.

Fig. 2: Schematic description of the setup developed at ICPfor the thermal characterisation of thermal responsive parti-cles.



1.9 Verbesserte Khlprozesse fr die Schokolade-Produktion

Die Schweizer Industrie stellt jhrlich etwa 175000 Tonnen Schokoladeprodukte her. Durchoptimierte Khlprozesse liesse sich deren Qualitt weiter steigern und dabei noch Energieeinsparen. Zusammen mit seinen Forschungspartnern fokusierte sich das ICP im zweitenProjektjahr auf die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur detaillierten Charakteri-sierung der whrend der Erstarrung von Schokolade auftretenden Wrmeabfuhrmechanis-men.

Contributors: T. Hocker, P. FahrniPartners: IDP-ZHAW, ZSN-ZHAW, IFNH-ETHZ, Max Felchlin AGFunding: KTIDuration: 20132015

Die Wrmeabfuhr whrend der Verfestigung vonflssigen Schokoladeprodukten ist komplex. Siewird durch die Lufttemperatur und Strmungsver-hltnisse im Khlkanal, aber auch durch die Geo-metrie und die thermischen Eigenschaften derverwendeten Giessformen beeinflusst. Zur Ermitt-lung des Einflusses verschiedener Giessform- undKhlkanalparameter auf den Abkhlprozess wur-de ein Ansatz gewhlt, der Modellexperimen-te mit thermischen Computersimulationen kombi-niert. Als Modellsubstanz wurde Gallium gewhlt,das bei hnlichen Temperaturen wie Schokoladeerstarrt. Gallium neigt zwar zu einer starken Unter-khlung (engl. supercooling), kristallisiert aber imGegensatz zu Schokolade bei einer fixen Tempe-ratur von 30 C unabhngig von der verwendetenAbkhlrate [1]. Schokolade bzw. die darin enthal-tene Kakaobutter zeigt hingegen ein viel komple-xeres Kristallisationsverhalten, das zu bis zu fnfverschiedenen Kristallformen fhrt, deren Bildungstark von der verwendeten Abkhlrate abhngt.Abbildung 1 zeigt typische Temperaturverteilun-gen und Wrmeflsse, wie sie das am ICP ent-wickelte SESES FE-Modell whrend des Abkhl-prozesses von Gallium vorhersagt.

Galliumprobe

Giessform

Abb. 1: SESES Modellvorhersagen der Temperaturen undWrmeflsse whrend der Erstarrung von Gallium.

Der entsprechende Vergleich mit Temperaturmes-sungen im ETH-Khlkanal ist in Abbildung 2 dar-gestellt. Das FE-Modell verwendet als Input denzeitabhngigen Verlauf der Lufttemperatur sowieden Wrmebergangskoeffizienten (W/(m2 K))

an der Oberseite der Giessform. Aus den Messun-gen war jedoch nicht bekannt, mit welcher Rateauch Wrme von der Unterseite der Giessform ab-fliesst. Durch fitten des entsprechenden Wrme-bergangskoeffizienten an die gemessene Giess-formtemperatur konnte gezeigt werden, dass berdie Unterseite der Giessform etwa gleich viel Wr-me wie ber die Oberseite abfliesst. So konnte dieErstarrung von Gallium (bis auf das Unterkhlen)genau reproduziert werden.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50 60

T (C

)

t (min)

comparison exp and sim run 1

TLuft|expTForm,unten|expTForm,oben|exp

TGallium,mitte|expTForm,unten|simTForm,oben|sim

TGallium,mitte|sim

Steigung hngt stark von Massen und -Werten ab

T-Niveau hngt stark von -Wert am Boden ab

T-Niveau hngt stark von -Wert an Oberseite ab

gemessene Lufttemperatur

Abb. 2: Gemessene und simulierte Temperaturverlufe wh-rend der Abkhlung von Gallium im ETH-Khlkanal.

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

J (W

)

t (min)

heat fluxes run 1

Jgal-airJgal-allJgal-forJpoly-air

gesamte Wrme-abfuhr von Gallium

Wrmeabfuhr von Form an Luft

Wrmeabfuhr Gallium an Luft

Wrmeabfuhr von Gallium an Form

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5

Abb. 3: Simulierte Wrmestrme whrend der Abkhlungvon Gallium im ETH-Khlkanal.

Das mithilfe der Temperaturmessungen kalibrier-te FE-Modell wurde anschliessend verwendet,



um die zeitlich vernderlichen Wrmestrme zwi-schen Probe und Form bzw. Probe und Luf vor-herzusagen. Die entsprechenden Ergebnisse sindin Abbildung 3 dargestellt. Sie zeigen, dass dieWrmeabfuhr vom Gallium direkt an die Luft inKhlphasen 13 praktisch konstant ist. Hingegenfliesst in Khlphase 1 noch keine Wrme vom Gal-lium an die Giessform. Dies liegt daran, dass dieGiessform zunchst von der Luft abgekhlt wer-den muss, bevor sie thermische Energie vom Galli-um aufnehmen kann. In Khlphasen 2 und 3 ber-steigt jedoch die Wrmeabfuhr ber die Giessformdiejenige ber die Luft. Dies liegt daran, dass dieOberflche zwischen Probe und Form grsser ist

als zwischen Probe und Luft.Im letzten Projektjahr wird der Fokus am ICPauf der Entwicklung eines orts- und zeitaufgels-ten Kristallisationsmodells liegen. Mit dessen Hilfelsst sich die Bildung verschiedener Kristallstruk-turen whrend des Abkhlprozesses von Schoko-lade unter Produktionsbedingungen vorhersagen.

Literatur:[1] Y. Miyazawa, G. M. Pound, Homogeneousnucleation of crystalline gallium from liquid galli-um, J. of Crystal Growth, 23, pp. 4557, 1974.[2] L. Rejman, P. Braun, E. J. Windhab,ETH Laboratory of Food Process Engineering,www.ifnh.ethz.ch/vt.



1.10 Linking Microstructure to Effective Transport Properties:a Predictive Model

The microstructure of a material has a large influence on transport processes, e.g. in solarcells, fuel cells and batteries. To produce better materials, we need to understand the rela-tionship between microstructure and effective transport properties in a quantitative way. Incooperation with Ulm University, the ICP has developed a model predicting effective trans-port properties on the basis of geometric microstucture parameters.

Contributors: L. Holzer, O. Stenzel, G. Gaiselmann, M. Neumann, O. Pecho, V. SchmidtPartners: (IfB, ScopEM)-ETHZ, Ulm UniversityFunding: SNSFDuration: 20122014

How does the complex geometry of a microstruc-ture influence conductive transport processes?Several formulas in the literature exist, suggest-ing that volume fraction, windedness of transportpaths (tortuosity) and bottlenecks (constrictivity)play a major role. However, these formulas are ex-tremely difficult to validate with experimental datasince this requires the costly acquisition and anal-ysis of several 3D images from microstructures.In cooperation with Ulm University, a stochasticmodel has been developed that can simulate alarge variety of random, virtual microstructureswith very low computational effort, see Fig. 1.

Fig. 1: Examples of random, virtual microstructures

This enabled us to analyze enough microstruc-tures to quantitatively relate morphological charac-teristics (volume fraction, geodesic tortuosity andconstrictivity) to the effective conductivity. Moreprecisely, we simulated the effective conductivitiesof 43 microstructures. The effect of the microstruc-ture is captured by the so-called M-factor, wherean M-factor of 1 indicates a perfect microstructurewith no constraints with respect to transport andan M-factor of zero means that no transport occurs

at all. Several formulas predicting the M-factor onthe basis of volume fraction , geodesic tortuosity and constrictivity have been tested and theirrelative prediction errors (MAPEs) have been com-puted, see Fig. 2.

Fig. 2: Relative (prediction) errors for different formulas. Theexponents are determined to minimize (training) error.

Using the formula M = c/d = 0.35/5.19, itis now possible to predict the effective conductivityon the basis of morphological characteristics withan relative prediction error of less than 18 %.In the future, we put our efforts towards further for-mulas for other types of transport processes (diffu-sivity, permeability) while using an extended database to enhance the statistical accuracy of the re-sults.

Literature:[1] G. Gaiselmann et al., AIChE J., 60, 2014.



1.11 Effects of pore morphology and drainage on elastic prop-erties of Opalinus Clay

Opalinus Clay is a low-permeability clay rock formation, which is considered as potentialhost rock for a radioactive waste depository. The impact of pore morphology on the elasticbehavior of Opalinus Clay was investigated by using voxel based FEM simulations in com-bination with pore microstructures, which were reconstructed on the base of tomographicimage data. The mutual dependency between porosity and elastic moduli was establishedand the impact of water drainage from the pores on elastic moduli was determined.

Contributors: L. KellerPartners:Funding: NagraDuration: 20142015

Opalinus clay is a low-permeability clay rock for-mation, which is considered as potential host rockfor radioactive waste. In order to study effects ofpore morphology on the elastic behavior of Opal-inus Clay, voxel based FEM simulations were ap-plied to pore microstructures, which were recon-structed from FIB-nt tomographic image data, seeFig. 1a. The solid phase (i. e. clay matrix) wasconsidered isotropic in order to reveal the effectsof pore morphology. By analyzing a large numberof sub-samples the mutual dependency betweenporosity and elastic moduli was established andthe impact of water drainage from the pores onelastic moduli was determined, see Fig. 1b, c.

For a typical sample from the shaley facies, itturned out that the relationship between porosityand Youngs/shear moduli is a well-known power-law relationship, see Fig. 1b. In addition, a po-lar anisotropy in elastic properties was revealed,which is related to a preferred orientation of poreobjects parallel to bedding. Elastic properties are

near isotropic within planes parallel to bedding butare substantially different perpendicular to bed-ding. In particular, with increasing porosity, theYoungs modulus that accounts for stiffness per-pendicular to bedding decreases much more whencompared to the ones that account for stiffnesswithin the bedding plane. Drainage of water fromthe pores enhances this effect as this substantiallyreduces stiffness perpendicular to bedding, seeFig. 1c.Regarding the application of a shear strain, thematerial exhibits also a different response whenshear stress is applied in different directions. Theshear modulus is higher in case shear strain oc-curs due to forces, which act on a plane perpen-dicular to bedding but is lower in case the shearplane is parallel to bedding. The effect of drainageon shear moduli is minor and does not increasemuch the anisotropic response to shear strain.Drainage of water substantially reduces the twoPossions ratios, which measure the ratio betweenstrain parallel and perpendicular to bedding.

Fig. 1: Effects of porosity and drainage of water on Youngs moduli. a) Example of reconstructed pore microstructures ofan analyzed sample. b) Ratio between effective E and solid Es ( Youngs moduli of the clay matrix) vs. porosity. c) Ratiobetween drained and undrained Youngs moduli. Note, that drainage of water substantially affects stiffness perpendicularto bedding (E33).



1.12 Zeit sparen und Ausschuss reduzieren

Bei der Kunststoffbeschichtung fhren Prozessschwankungen dazu, dass der Kunststoffoft nicht homogen aufgetragen wird. Durch eine Inline-Messung mit dem CoatMaster, der inZusammenarbeit mit der ZHAW entwickelt wurde, erkennt der Beschichter Prozessabwei-chungen frhzeitig und kann sie durch eine Nachregelung der Prozessparameter korrigie-ren.

Contributors: B. Rutz, B. Schmid, S. Hauri, N. ReinkePartners: IDPFunding: Winterthur Instruments AGDuration: 2014

Kunststoff auf Gleitlagern, Dichtungen und ande-ren Metallkomponenten sind aus der Automobil-industrie nicht mehr wegzudenken. Ohne dieseBeschichtung wre ein reibungsloser Ablauf nichtmglich, allerdings sind die Oberflchen auch be-sonderen Belastungen ausgesetzt. So sind zumBeispiel die Gleiteigenschaften und somit auch diePassgenauigkeit von Gleitlagern und Kolben vonhchster Wichtigkeit fr die Funktion. Ist eine Be-schichtung zu dick, passt die Komponente nichtmehr in die fr sie vorgesehene Position, ist dieBeschichtung zu dnn, reibt sie sich unter Belas-tung ab. Die Anforderungen an den Herstellungsprozess von Gleitlagern und Kolben sind dement-sprechend sehr hoch.

Mit dem CoatMaster lassen sich Prozessabwei-chungen frhzeitig erkennen und korrigieren. Diesfhrt zu einem kontrollierten Prozess, bei demenge Beschichtungstoleranzen eingehalten wer-den. Auch im Bereich der Messung von Kunst-stoffbeschichtungen in der Prozesskette wird dasGert bereits erfolgreich eingesetzt. Ein Herstel-ler von Gleitlagern mchte die Kunststoffbeschich-tung auf Halbschalen, aus denen spter Gleitla-ger gefertigt werden, in nassem Zustand messen.Fehleinstellungen, Alterung und Verschlei kn-nen dazu fhren, dass die Beschichtung auer-halb des Toleranzbereichs aufgetragen wird. Diebisher verwendete Messmethode zur Qualittssi-cherung ist allerdings magnetinduktiv, das heit,kontaktierend und kann erst nach dem Trocknender beschichteten Halbschalen durchgefhrt wer-den. Dadurch geht mindestens eine halbe Stun-de verloren. Das heit, wenn die Referenzmes-sung erfolgt, die Aufschluss ber eventuelle Pro-zessabweichungen gibt, haben in der Zwischen-

zeit bei einer Taktrate von 40 Halbschalen proMinute wieder circa 1200 Halbschalen den Be-schichtungsprozess durchlaufen. Der CoatMasterwird dazu eingesetzt, Prozessabweichungen di-rekt nach dem Beschichtungsvorgang zu detek-tieren, indem die Schichtdicke auf den noch nas-sen Halbschalen gemessen wird. Zunchst wirdmit dem CoatMaster die Schichtdicke der getrock-neten Kunststoff beschichtungen ermittelt. Die Er-gebnisse werden mit denen einer magnetindukti-ven Messung an denselben Positionen verglichen.Die Resultate beider Methoden stimmen mit ei-nem R2 von 0.98 sehr gut berein. Die Standard-abweichung wird ber fnf Messwiederholungenbestimmt. Beim CoatMaster betrgt sie 0.2 m,bei der magnetinduktiven Methode 0.5 m. Mit dermagnetinduktiven Methode ist somit eine Mittelungber sechs Messungen erforderlich, um eine ver-gleichbare Genauigkeit wie mit dem CoatMasterzu erreichen. Eine prozessintegrierte Ermittlungder Schichtdicke mit magnetinduktiven Methodenkann damit zum Flaschenhals in der Produktionwerden.

Abb 1: Lagerschalen fr den modernen Motorenbau.



1.13 Pulverlacke mikrometergenau applizieren

Die Zrcher Hochschule hat mit den Industriepartnern Winterthur Instruments AG und J.Wagner GmbH eine neue Technologie entwickelt, welche die Pulverbeschichtung revolutio-niert und eine automatische m-genaue Lackapplikation ermglicht.

Contributors: B. Rutz, B. Schmid, S. Hauri, N. ReinkePartners: IDPFunding: KTIDuration: 2013-2014

Wagner Beschichtungslinien verfgen ber ei-ne hochgenaue Dosierungsautomatik, welche dieLuftmenge zur Pulverfrderung zu den Pulverpis-tolen permanent misst und regelt. Dadurch lassensich dauerhaft konstante Werte sicherstellen. Aberwie berprft man verlsslich, dass diese Werteauch zur gewnschten Schichtdicke fhren? DieWinterthur Instruments AG kennt schon lange dasBedrfnis ihrer Kunden, dauerhaft eine konstanteSollschichtdicke in mglichst engen Toleranzgren-zen realisieren zu knnen. Denn bisher war einekonstante Schichtdicke, bei der weder zu viel nochzu wenig Beschichtungsmaterial aufgetragen wur-de, mehr oder weniger ein Zufallstreffer.Die Qualittsziele fr eine gute Beschichtung sindklar, wenn es auch aufgrund mangelnder Prfme-thoden schwierig ist, sie zu spezifizieren:

Es soll kein Ausschuss produziert werden Die Schichtdicke soll sich im unteren Bereich ei-

nes definierten Toleranzfensters befinden

Die erreichte Schichtdicke soll zur Dokumentati-on und Qualittssicherung nachgemessen wer-den. Allerdings ist oft nicht spezifiziert, wo undwie oft auf einer Probe gemessen werden soll.Aufgrund fehlender Messschablonen kann au-erdem nicht sichergestellt werden, dass immeran den gleichen Stellen auf einem Werkstckgemessen wird.

ber die Anlagensteuerung werden die Soll-schichtdicke und die dazugehrigen Toleranzgren-zen definiert und die Pulverpistolen in der Anla-ge entsprechend eingestellt. Die Probe wird nunin der Lackierkabine beschichtet. Direkt am Ka-binenausgang ist der Messkopf des CoatMastersmontiert. Er misst die applizierte Schichtdicke di-rekt nach dem Auftragen berhrungslos und zer-strungsfrei. Sobald der vom CoatMaster gemes-sene Istwert der Schichtdicke vom vordefiniertenSollwert abweicht, werden die Prozessparameterber die Anlagensteuerung nachgeregelt. So wird

z.B. die Pulvermenge ber die Frderluft in denPulverpistolen korrigiert, und die fehlerhaften Bau-teile knnen automatisch fr eine Nacharbeit ko-diert werden. Danach wird ein erneuter Beschich-tungsprozess gefahren, und die Schichtdicke wirdwieder direkt nach dem Auftragen mit dem Coat-Master gemessen. Die vordefinierte Sollschichtdi-cke wird jetzt exakt bis auf den um eingehalten.Die Messergebnisse sind jederzeit auf dem Bild-schirm der Anlagensteuerung ersichtlich, knnenaber auch berall auf dem Werksgelnde mit ei-nem PC, einem Tablet oder einem Smartphoneabgerufen werden. Damit sind die zentralen Her-ausforderungen an die Pulverbeschichtungsanla-gen von heute gemeistert:

Materialeinsparung durch Vermeiden von ber-beschichtung (nach dem Motto: Material brau-chen, nicht verbrauchen)

Verbesserte Oberflchen Qualitt Vermeiden von Ausschuss Kompromisslose Qualittskontrolle und Pro-

zessstabilitt durch Nachregelung und berwa-chung

Lckenlose Kontrolle aller Werkstcke anstellevon sporadischen Kontrollen

Sofortiges Erkennen von Anlagenstrungen Prozessnachweis durch lckenlose Teiledoku-

mentation

Abb. 1: Closed-Loop Pulver-Beschichtungsanlage.



1.14 Enthalpy model of melt-crystals phase-changing kinetics

A phase changing model describing the heat transfer and the interconversion between meltand crystal polymorphism is implemented. The enthalpies of crystals and melt phases areused to formulate a consistent coupling between the mass balance and the Stefan problem.A stable numerical solving is achieved with a new implementation of the Chernoff scheme.

Contributors: Y. SafaPartners: IFNH-ETHZFunding: CTIDuration: 20132015

In the industrial production of solids, it is highly re-quired to characterize the material in the processnot only by identifying its nature, but also by know-ing its stability with the time, the changes of itschemical and physical properties as a function ofthe crystal. Although possessing the same chemi-cal identity of the parent processed solid, differentcrystal forms may display a range of different ther-mophysical properties, which may affect applica-tion and utilization of the product.

Moreover, material processing undergoes often athermal history (like cooling from a high tempera-ture). It is therefore important to understand howmicrostructure, and thus properties can be con-trolled by the processing history.

The thermodynamic principles state that transition,under specified conditions, to a stable system re-sults in only one polymorph constitution. However,due to kinetic effects like, for example, the diffusionbetween adjacent phases, some metastable formscan exist or coexist in the presence of more stableforms. The instability of certain crystals, the pos-sibility of interconversion between crystal phasesand the transition between crystals and melt phasecan affect the quality and the endurance of the de-sired properties of the product that is designed forsome specific applications.

In the framework of collaboration with IFNH insti-tute at ETH Zurich, a computational model de-scribing energy transfer coupled with mass trans-formation between crystal phases in chocolate isdeveloped. The model allows to predict the tem-perature and crystal evolutions (Fig. 1) and the cor-responding changes in the properties of the choco-late produced through process like cold moulding,tempering and seeding, and further, this allows toderive relationships that can aid in process design.

Unlike other formulations, the latent heat is notconsidered as source/sink term of thermal prob-lem, but it is represented through an enthalpy-temperature formulation of the Stefan problem.

The time discretization of the problem is achievedthrough an advanced implementation of the sta-ble Chernoff scheme allowing a consistent depen-dency of enthalpy and phase fraction. In Fig. 2,the variation of the total solid fat content SFC ob-tained from numerical simulation is plotted with re-spect to the values from NMR (Nuclear MagneticResonance) measurements. The model would beinformed, for input data, from DSC (DifferentialScanning Calorimetry) tests that characterize thekinetic of crystal polymorphism. This approach isnot limited to the chocolate industry, it can be alsoapplied in polymer processing, cement manufac-ture and pharmaceutical industries.

Fig. 1: Crystal fraction (left) and temperature (right) at 14thminutes of a initially melt sample cooled down from T =30 Cwith a rate of 1 C/min .

Fig. 2: Evolution of total solid fat content SFC upon cooling.Results are compared to NMR measurements provided byL. Rejman and L. Caiata from IFNH-ETHZ.



1.15 Coulometric system with generator cell

An automatic Coulometric measurement system for general titration is developed. The sys-tem is based on a compact and closed cell generator with a jelly-like electrolyte. The phys-ical and chemical processes are summarized in a simulation model allowing the geometryand composition of the generator cell to be optimized.

Contributors: G. Sartoris, L. HolzerPartners: Mettler-Toledo AG, ZPP, IMPE, ICBCFunding: KTIDuration: 20142015

This project is concerned with the developementof an automatic, compact and easy-to-use mea-surement system for general titration based on acatridge system delivering the reagent and con-trolled by hardware. At ICP, we are concernedwith the modeling and optimization of the gener-ator cell.

Modeling the Coulometric titration system is amulti-physics simulation problem and the in-houseand at ICP developed software NM-Seses is bestsuited for this purpose. NM-Seses is an advancedmulti-physics modeling tool and is presently capa-ble of modeling the whole cell system, althoughone has to provide the material laws for all physicalprocesses involved. Ions transport in the hydro-gel is mainly due to diffusion and migration (drift),hence one needs here diffusion constants and mo-bilities. Due to the thinness of the membrane,one can avoid to develop a bulk model for themembrane and a 0-dimensional point-to-point ana-lytic model connecting locally the hydrogel and theaqueous domains is a valid alternative. Analytic 0-dimensional models of Butler-Volmer type are alsoused at working- and counter-electrodes to char-acterize overpotentials and contact losses. Muchmore demanding is the modeling of the aqueousdomain due to forced convection. Here a stirreris mixing up the aqueous solution and a thin diffu-sion layer is building-up at the working electrode,but otherwise the concentrations can be consid-ered as constant. It is notorious a very challengingtask to try a direct numerical simulation of the mix-ing process, since the fluid is highly turbulent andturbulent models are inappropriate here. In orderto study the influence of the electric field on thepH-measurement or to obtain IV-characteristics,however, the full titration system consisting of the

membrane, hydrogel and aqueous domains needto be modeled. With the computational resourcesat our disposal, we cannot afford a direct numericalsimulation of the mixing process and a valid alter-native to model the aqueous domain is required.Our solution approach is based on the assump-tion that the diffusion layer is generally thin withrespect to the cell geometry. Hence in a first or-der approximation, we can apply a point-to-point 0-dimensional analytical model between the workingelectrode and the aqueous domain in the form ofa Nernst diffusion layer model. Within this model,we neglect transverse transport processes in thediffusion layer, but we are able to correctly map allOhmic losses and therefore to compute the elec-tric field on the whole cell system and to evaluateIV-characteristics. At our disposal, we thereforehave the software and a first coarse grain modelto simulate the titration cell and one is left with therealization and validation.

Fig. 1: Computed current streamlines for optimizing the con-tacts geometry.



2 Fuel Cells and Energy Systems

Fuel cells convert fuels such as hydrogen, natural gas or methanol into electrical energy and heat.They can be used as a battery replacement in portable electronic devices, for production of heatand electricity in households and as an energy source in electric cars. Due to their flat design,fuel cells are easily scalable by connecting them in series to form stacks. Electrical efficienciesover 60% are feasible which is much higher compared to other decentralized electricity generationtechnologies. Although the working principle among all fuel cells is the same, they can greatlydiffer in the choice of used materials and operating conditions.To allow for the market introduction of proton exchange membrane fuel cells in the automotivesector, major advancements are being achieved by several companies and research institutions.These advancements include new designs of the gas distribution flow-fields, improved water trans-port properties of the gas diffusion layers, novel membrane materials, the use of alloy materials tolower the platinum loading of the catalyst layers etc.The ICP supports the progress in fuel cell research by developing multiphysics computer models.Modeling helps to better understand the large number of chemical, thermal, electrical, mechanicaland fluidic processes with the goal to detect weaknesses of the system and provide design im-provements. In addition to fuel cells, we also model hydrogen production techniqes. For example,we model photo-electro-chemical cells (PECs) which use solar energy to split water and producehydrogen as a solar fuel, and hydrogen production reactors by use of formic acid. Most researchprojects are conducted in collaboration with our strategic partners Hexis AG in Winterthur (SOFC),Paul Scherrer Institut in Villigen (PEFC) and EPFL (hydrogen generation) in Lausanne.

Modeling of proton exchange membrane fuel cells. Left: Top view of the pore structure of a gas distribution layer (GDL)reconstructed from X-ray image data. Right: Current density obtained by a 2+1D simulation of a single cell with effectivetransport parameters computed by numerical simulations on the pore-scale of the GDL.



2.1 The development of a thermo-neutral fuel cell

The Swiss Competence Center for Energy Research (SCCER) Efficient Technologies andSystems for Mobility is a research program initiated in January 2014. It brings togetherresearch groups from all the major Swiss research institutions. It is one of the strongestresearch centers in this field worldwide, cooperating with industry partners domesticallyand worldwide, with the aim to find new mobility solutions and products with a measurableimpact on energy efficiency and CO2 reduction.

Contributors: J. Dujc, J. Schumacher, L. CaponePartners: Paul Scherrer InstitutFunding: CTIDuration: 20142017

The SCCER Mobility aims at developing the knowl-edge and technologies essential for the transitionof the current fossil fuel based transportation sys-tem to a sustainable one, featuring minimal CO2-output and virtually zero-pollutant emissions. Thefocus of the SCCER Mobility project is on the fol-lowing Capacity Areas (CA): A1 - new battery tech-nologies, A2 - optimal use of renewable chem-ical energy carriers for fuel cells and combus-tion engines, A3 - minimization of vehicular en-ergy demand, B1 - infrastructure, logistics and ICT-systems and B2 - assessment of the transportationsystem. The ICP is with its partner, the Paul Scher-rer Institut, integrated into the Capacity Area A2.

Fig. 1: The cross-section of the differential cell on the leftand the simulated distribution of the effective porosity of thecathodes GDL due to 20% mechanical compression on theright.

The fuel cell research conducted in the CA-A2deals with hydrogen fed proton exchange mem-brane (PEM) fuel cells. PEM fuel cells generateelectrical power from hydrogen gas with pure wa-ter being the only byproduct. Further technologi-cal innovation is needed for the commercial break-through of the PEM fuel cell technology in individ-ual mobility. In this program we aim to develop anovel concept of a thermo-neutral fuel cell opera-tion. This will allow a simplification of the overallsystem and thus push towards the marketability of

fuel cell vehicles.The thermal management of a thermo-neutral fuelcell is completely passive. That is, the water pro-duced during fuel cell operation also serves asa thermal management agent and no additionalcooling device is needed. In this setting it is essen-tial that we thoroughly understand the transport ofthe liquid and the gaseous water, as well as thephase change processes in the fuel cells porousmaterials and on the cell level. In the year 2014the team at the ICP focused on the 2D simulationof the cathodes gas diffusion layer, see Fig. 1 left.The numerical model consists of the mechanicalpart, see Fig. 1 right, the two phase flow, the trans-port of gas species and the electrochemical part.Simulation results of the model are compared withimages obtained by PSI from neutron radiography,see Fig. 2. Both neutron radiography data and thenumerical simulations are essential to analyze andpredict the conditions for the thermo-neutral oper-ation of the PEMFCs. A prototype of the systemwill be developed within the duration of the project.

Fig. 2: The quantity of the liquid water present in the cath-odes GDL is expressed as the water thickness. Here wecompare experimental results obtained by high-resolution inplane neutron imaging (left) with simulation results (right).

Literature:[1] http://www.sccer-mobility.ch.



2.2 Simulation von Wrmetransport in Brennstoffzellen

Zur energetischen Optimierung eines SOFC-Brennstoffzellensystems ist die Kenntnis loka-ler Betriebstemperaturen wichtig. Da Messungen im Inneren derartiger Systeme schnell anihre praktischen Grenzen stossen, entwickelt das ICP ein thermo- fluiddynamisches Simu-lationsmodell auf Basis OpenFoam, welches Aufschluss ber lokale Temperaturen in einemBrennstoffzellensystem geben soll.

Contributors: J. Fuchs, G. Boiger, C. MeierPartners: Hexis AGFunding: Hexis AGDuration: 20142015

Frhere Simulationen von Brennstoff-zellensystemen wurden mittels der Software An-sys CFX durchgefhrt. Dieses, in der Praxis be-whrte Modell, erreichte jedoch die Grenzen derAnwendbarkeit, da die Nutzung der kommerzi-ellen Software zu Limitierungen bei der Imple-mentierung der Strahlungsmodellierung fhrte. DaStrahlung aber ein wesentlicher Wrmebertra-gungsprozess in der Brennstoffzelle ist, wurde dasbestehende Modell nun in die open Source Soft-ware OpenFoam berfhrt. Fr den Entwicklerbesteht hier die Mglichkeit den Programmcodeselbstttig an die Problemstellung anzupassen.

Um den Aufbau des Modells zu verstehen, istKenntnis um die Struktur des SOFC Stacks, al-so des eigentlichen Brennstoffzellenmoduls, ent-scheidend. Dieser besteht abwechselnd aus kera-mischen Zellen und metallischen Stromsammlern.Ungefhr 60 Zellen, die jeweils an einer Seite mitLuft und an der anderen Seite mit Brenngas ber-strmt werden, finden in einem Stack Platz. Die-se Schichtstruktur fhrt jedoch zu einer Anisotro-pie der Wrmeleitfhigkeit. Auch dieser Sachver-halt kann mittels des neuen OpenFoam-Modellsbercksichtigt werden.

Energetisch ist der Stack mit dem Luft- bzw.Brenngasgemisch nur ber eine volumetrischeWrmequelle bzw. Senke gekoppelt, da sich die-se zwei Simulationsregionen berlappen. Dies

fhrt dazu, dass interfacebasierte Strahlungsmo-delle, wie sie in kommerzieller Software verwen-det werden, nicht angewandt werden knnen. Mit-tels Modifikation des OpenFoam-Programmcodesist es nun gelungen eine separate Simulationsre-gion zur Strahlungs-berechnung einzufgen undauch Strahlungsaustausch zwischen dem Stackund umliegenden Festkrpern zu bercksichtigen.Damit kann nun eine realistischere Berechnung (s.Abb. 1) der Temperatur-verhltnisse im Brennstoff-zellenmodul erreicht werden.

Abb. 1: Seitenansicht der Simulationsresultate des Tempe-raturfeldes des neuen SOFC OpenFoam Modells.



2.3 Reduzierung der Ohmschen Verluste in neuer Generationvon Hexis Brennstoffzellen

Das Brennstoffzellenheizgert Galileo der Hexis AG wandelt Erdgas kontinuierlich in elek-trische Energie und Wrme um und deckt so den Bedarf eines Einfamilienhaushalts. Dieelektrochemische Umsetzung des aus Erdgas gewonnenen Wasserstoffs findet an den An-oden der Festoxidbrennstoffzellen vom Typ SOFC statt. Um deren Effizienz und Alterungs-bestndigkeit weiter zu verbessern, wurde ein Impedanzmodell entwickelt, mit dessen Hilfedie Anodenperformance zuverlssiger als bisher interpretiert werden kann.

Contributors: T. Hocker, L. Holzer, M. Dold, M. LinderPartners: IMPE-ZHAW, EMPA, Hexis AG, WinterthurFunding: Bundesamt fr EnergieDuration: 20122014

In Festoxidbrennstoffzellen vom Typ SOFC werdenzur elektrochemischen Umwandlung des Brenn-stoffs immer hufiger mischleitende Anodenma-terialien (MIECs Mixed Ionic-Electronic Con-ductors) verwendet. Das sind keramische Halblei-ter wie beispielsweise Gadolinium-dotiertes Cer-dioxid (CGO), die in Abhngigkeit von Tempera-tur und Gaszusammensetzung sowohl Sauerstof-fionen, als auch Elektronen leiten. Die in CGO-Anoden ablaufende Elektrochemie gilt als nochwenig erforscht. In einer Serie von Publikatio-nen von S. M. Haile et al. konnte jedoch krz-lich gezeigt werden, dass die Elektrochemie ohneZutun metallischer Stromsammler praktisch voll-stndig an der Oberflche des MIEC-Materialsabluft [1]. Aufgrund dieser Erkenntnis wurdeein Transmission-Line (TL) Impedanzmodell ent-wickelt, das die Elektrochemie und den Ladungs-transport in einer porsen Mischleiteranode be-schreibt. Je nach Temperatur, Brenngaszusam-mensetzung und Mikrostruktur der Anode kannentweder der Transport der Sauerstoffionen, oderder Transport von Elektronen, oder die Elektroche-mie den Anodenwiderstand dominieren.

1h 267h 2935h

Abb. 1: Alterung der Mikrostruktur von CGO-Anodenach 1, 267 und 2935 Stunden unter typischen SOFC-Betriebsbedingungen.

Die Mikrostruktur der porsen Mischleiteran-oden spielt hierbei eine wichtige Rolle. Abb. 1zeigt das Alterungsverhalten von Gadolinium-dotiertem Cerdioxid unter typischen SOFC-Betriebsbedingungen. Man sieht deutlich, dasssich die CGO-Mikrostruktur im Laufe der Zeit ver-

grbert. Um den Einfluss von solchen Mikrostruk-tureffekten auf die Brennstoffzellenperformancebesser zu verstehen, wurde ein Impedanzmodellentwickelt, das Ladungstransportpfade (Trans-mission Lines TL) als unendliche Reihenschal-tung von einfachen elektrischen Komponentenwie ohmschen Widerstnden, Kondensatoren undSpulen approximiert. Das TL-Modell basiert je-doch im Gegensatz zu rein empirischen elektri-schen Ersatzschaltbildern immer auf einer mikro-skopischen Vorstellung der rtlich ausgedehnten,in den Elektroden ablaufenden Transport- und Um-wandlungsprozessen.

Ni

CGO

ACGOPoree

O2

H2H2O

Stromsammler

Anode

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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""

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0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26!0.03

!0.02

!0.01

0.

Re!Z" # " cm2

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"#"cm

2

bc4_20120727_o!220312!3!1_900c_300ma_000h

I1

I2

S

S

S

S

channel 1

channel 2

1 = R1/L

2 = R2/L

=L

1Rpol

+ Ci

0.6 0.8 1.0

Anoden-Mikrostruktur Transmission-Line Modell

Ladungstransport-Limitierung

Elektrochemie-Limitierung

AC-Verhalten

EIS-Messdaten

Abb. 2: Transmission Line Modell zur Vorhersage desImpedanzverhaltens der Anodenperformance von Hexis-Brennstoffzellen.

Abb. 2 zeigt das am ICP entwickelte Transmissi-on Line Modell zur Beschreibung des Impedanz-verhaltens von mischleitenden Anoden. Im Mo-dell knnen sowohl der Transport von Sauerstof-fionen und Elektronen, als auch der Ladungstrans-fer bei der elektrochemischen Umsetzung desBrennstoffs limitierend wirken. Wie in der Abbil-dung rechts unten gezeigt, resultieren daraus un-terschiedliche Impedanzbgen. Entscheidend frdie Nutzbarkeit dieses Modellansatzes ist Identi-fikation der im Modell enthaltenen Parameter mitphysikalischen Grssen. Das hier gezeigte Modell



enthlt fnf Parameter Rio,anod, Rel,anod, Rpol,anod,L,anod sowie pol,anod, die auf verschiedene phy-sikalische Grssen zurckfhrt werden knnen.Letztere lassen sich entweder aus der Elektro-denmikrostruktur ermitteln (eff,io,anod, eff,el,anod,Atpb,anod), oder durch Vergleiche des Modells mitexperimentellen Impedanzdaten (i0,anod, Canod) fit-ten. Das gezeigte Modell wurden im Rahmen derMasterarbeit von Michael Dold in Mathematica im-plementiert und soll zuknftig bei unserem For-schungspartner Hexis AG zur Interpretation vonexperimentellen Impedanzdaten genutzt werden.

Rio,anod =Lanod

Ae,io,anod,

Rpol,anod =1

ALanodAtpb,anod

RT

i0,anod F,

L,anod =Ae,io,anodLanodCanod

,

pol,anod =ALanodAtpb,anod i0,anod F

RT Canod,

Rel,anod =Lanod

Ae,el,anod

Literatur:[1] W. C. Chueh, S. M. Haile, High electrochemicalactivity of the oxide phase in model ceriaPt andceriaNi composite anodes, Nature Materials, Vol.11, 155161, 2011.



2.4 Thermisch-Fluidische Simulation eines SOFC-Moduls

Die Firma Hexis AG konzipiert ihr Brennstoffzellenmodul (BZM) neu. In der Peripherie desBrennstoffzellenmoduls befinden sich kritische Bauteile, an welchen zulssige Maximal-temperaturen auf keinen Fall berschritten werden drfen. Mittels einer Simulation galt es,diesen Bereich zu analysieren und gegebenenfalls Lsungen zur Temperatursenkung vor-zuschlagen.

Contributors: V. Lam, J. Fuchs, G. Boiger, C. MeierPartners: Hexis AG, Viessmann Werke GmbHFunding: Hexis AG, Frderprojekt LeonardoDuration: 20132015

Seit ber zehn Jahren pflegt das ICP eine en-ge Forschungs- und Entwicklungszusammenar-beit mit der Firma Hexis AG, aktuell im Frderpro-jekt Leonardo. Im Jahr 2014 richtete sich das Au-genmerk unter anderem auf den Bodenbe-reich ih-res Brennstoffzellenmoduls. Dieser Be-reich stelltdie Verbindung vom BZM zum Abgaswrmetau-scher dar, in welchem die heissen Abgase ausdem Prozess zur Gewinnung von Heizwrme ab-gekhlt werden.Zur Analyse des Bodenbereiches wurde eine Si-mulation mit der Open-Source-Software OpenFO-AM [2] durchgefhrt. Hierbei handelt es sich um ei-ne Finite-Volumen-Methode-Software, welche dieAnpassung des Solvers fr individuelle Anwen-dungen erlaubt.In der folgenden Abbildung ist der simulierterBodenbereich mit der entsprechenden Tempe-raturverteilung dargestellt. Im Zentrum ist der heis-se Abgasstrom von ca. 800 C zu erkennen, des-sen Wrmestrme sich radial nach Aussen hinausbreiten.

Abb. 1: Bodenbereich des Brennstoffzellenmoduls der He-xis AG. Aus Symmetriegrnden ist nur ein Viertel der realenGeometrie dargestellt.

Mit Hilfe der Simulation konnte festgestellt werden,dass sich die kritischen Bauteile in der Periphe-rievor allem durch die Strahlung erhitzen. Mit geziel-ten Geometrieanpassungen sowie einem verbes-serten Strmungsverlauf knnen die Temperatu-ren an diesen Stellen deutlich reduziert werden.Die Verwendung von geeigneten Materialien ha-ben vor allem auf die Wrmeverluste einen nichtzu vernachlssigenden Einfluss.In der folgenden Grafik sind berechnete Tempera-turverteilungen an der metallischen Aussen-hlle des Bodenbereiches dargestellt. Unter-sucht worden sind verschiedene Dmmmaterial-Kombinationen.

80#

100#

120#

140#

160#

180#

0# 10# 20# 30# 40# 50# 60# 70# 80#

Tempe

ratur)/

)C)

z).)Achse)/)mm)

Topf_IST#

Topf_Isola5onBodenSN400#

Topf_WDS#

Topf _Variante1

Topf _Variante3

Topf _Variante2

Abb. 2: Temperaturverteilung an der metallischen Aussen-hlle.

Fr das Jahr 2015 ist vorgesehen, nicht nur denBodenbereich, sondern das komplette BZM zu si-mulieren. Dies ermglicht ganzheitliche Analysen,um beispielsweise die Auswirkungen von Lecka-gen auf die Temperaturverteilung und Wrmestr-me zu untersuchen.

Literatur:[1] http://www.hexis.com.[2] http://www.openfoam.org.



2.5 Quantification of SOFC stack degradation and fuel distri-bution based on current voltage data

An authentic interpretation of the performance of solid oxide fuel cell (SOFC) systems op-erated in the field is important for specific improvements of the stack components and theoperation strategies. In this context, electrochemical impedance spectroscopy enables todistinguish and quantify the various sources of voltage loss and resistance. However thismethod is not available for systems operated in the field. As an alternative approach, amodel for an enhanced interpretation of current voltage data from field measurements wasdeveloped at ICP.

Contributors: M. Linder, C. Meier, T. Hocker, L. HolzerPartners: Hexis AGFunding: Swisselectric Research, Swiss Federal Office of EnergyDuration: 20122014

Reliable quantification and interpretation of thedegradation of SOFC stacks under real condi-tions is important for future improvements. ForSOFC systems running in the field one usuallyhas to rely on current-voltage (V,I) data since morecomprehensive methods such as electrochemicalimpedance spectroscopy (EIS) are primarily avail-able in the lab. The degradation behavior is thenanalyzed based on the slopes of time-dependent(V,I)-curves representing the overall resistance ofone or several stack repeat units (RUs) [1]. How-ever, these overall resistances often contain un-avoidable fluctuations in the fuel gas amount andcomposition and hence are difficult to interpret.Instead, internal RU resistances are a more ap-propriate measure to assess stack degradation.They follow from EIS-data through subtraction ofgas depletion effects from the overall impedancein the low-frequency limit [2]. However, extract-ing internal RU resistances from (V,I)-data is notobvious. Here, we propose a model-based ap-proach where a cascade of continuously stirredtank reactors is used for spatial discretization ofa fuel cell stack RU running on hydrocarbon mix-tures such as natural gas. For each cascade el-ement thermodynamic equilibrium is assumed tocalculate the local fuel composition. Since underreal operation conditions, fuel leakages, unevenfuel distribution over the various stack repeat units[3] and varying natural gas compositions from thegrid [4] can influence the performance, they aretaken into account by the model. Fig. 1 showsthe agreement between area specific resistance(ASR) values, which follow a) from EIS and b) fromthe proposed repeat unit model. By subtracting

fuel gas effects from the measured overall resis-tance the model provides the internal resistancefor each RU. The internal resistances (extracted atdifferent time steps) can be directly compared withthe sum of the time-dependent resistances of theelectrolyte, the electrodes, the interconnect andtheir mutual interfaces. Since the latter are usu-ally obtained under idealized laboratory conditionsthe presented method allows one to make directlinks between laboratory degradation experimentsand the respective behavior of SOFC stacks underreal operation conditions.

Fig. 1: Comparison of Hexis SOFC-stack ASR values ob-tained a) by EIS (symbols) and b) by a repeat unit model(lines), plotted against the corresponding current densities.The dashed curve represents the ASR behavior as directlyextracted from the slope of Hexis SOFC-stack IV-data [5].

Literature:[1] R. S. Gemmen, et al., J. Power Sources, 184,2008.[2] C. Comminges, et al., Electrochim Acta, 59,2012.[3] M. Lang, et al., Electrochim Acta, 53, 2008.[4] M. Linder, et al., Fuel Cells, 11, 2011.[5] M. Linder, et al., J. Power Sources , 188, 2015.



2.6 Multi-phase modelling of a hydrogen generator

One of the biggest difficulties of using hydrogen in PEM fuel cells and, generally, as anenergy source is its safe and effective storage. We investigate modelling and simulation ofa unique multi-phase concept of a fluidized bed reactor generating ready-to-use hydrogenas a product of heterogeneous catalysis of liquid formic acid.

Contributors: V. Orava, P. Cendula, O. Soucek, J. SchumacherPartners: EPFL, Granit SA, Charles University (CZ), PSIFunding: Swisselectric Reasearch, CCEMDuration: 20142015

Formic acid is a non-hazardous liquid with thehighest content of hydrogen from all the carboxylacids. This determines it as an ideal source of hy-drogen, which can be effectively produced by het-erogeneous catalysts (decarboxylation) on micro-scopic pellets covered by certain noble metal (e.g.Ruthenium) in a device called fluidized bed reac-tor. In this reactor the gaseous mixture of hydrogenand carbon dioxide is produced in form of bubbleswhich escape on the top of the reactor and it canbe directly used in PEM fuel cells, see Fig. 1.

Fig. 1: Scheme of the hydrogen generator concept.

From the modelling point of view, we need totreat the reactor as a multiphase system of highlynon-newtonian liquid with solid compounds cou-pled with bubbly flow and heat transfer due to theendothermal reactions and evaporation. Perfor-mance of such a device, i.e. power and efficiency,is strongly dependent on the initial physical set-ting and physical phenomena inside the reactor.Therefore, the directions on optimal/maximal per-formance are of utmost importance, see Fig. 2.

0 5 10 15 20 25 300.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Pressure @atmD

Effic

ienc

y

T

ev

Fig. 2: Dependence of the predicted total efficiency of thereactor on the pressure, temperature gradient efficiency

T , evaporation rate eff. ev and gas production eff. atconstant wall temp. Twall = 120C.

In the first year of the project, some of the impor-tant parameters of the catalyst and reactor settingwere not yet available, thus, we performed effi-ciency analysis, see Fig. 2 and numerical simu-lations of the model with parameter values whichare available in literature, see Fig. 3.

Fig. 3: Flow regime, heat transfer and volume fraction of theproduced gas in a reactor concept at Twall = 140C andP = 5atm for estimated parameter values. Quasi-steadysolution calculated by Comsol Multiphysics.

Depending on the first reliable measurements onthe reactor, model modifications will be needed inorder to qualitatively verify the model with mea-surements. After the verification, optimal reactorconfiguration will be achieved by several iterationsbetween measurements (EPFL, PSI) and multi-physics modelling (ICP ZHAW).The development of the hydrogen generatorsalong with PEM fuel cell is very attractive for manyindustrial applications, e.g. in mobile (automotive)or decentralised power sources, along with fixed-site installations for power grid backup generation.

Literature:[1] V. Orava, O. Soucek, P. Cendula, Multi-phasemodeling of non-isothermal reactive flow in flu-idized bed reactors, J. Comput. Appl. Math., 2015.[2] H. A. Jakobsen, Chemical Reactor Modeling:Multiphase Reactive Flows, Springer, 2008.[3] Yang, W.C.; Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems, Chem. Indust., 2003.



2.7 Microstructure effects in Ni-YSZ anodes: Optimizing per-formance and redox stability

Understanding the relationship between microstructure and effective properties is a key topurposeful design of electrodes for solid oxide fuel cells. Optimization of various electrodeproperties (i.e. high electrochemical activity, low charge transport resistances and highdurability/long service lifetimes) is a challenging task for materials processing. In this studywe focus on the optimization of performance and redox stability of Ni-YSZ anodes.

Contributors: O. Pecho, O. Stenzel, B. Iwanschitz, M. Prestat, R. J. Flatt, T. Hocker, L. HolzerPartners: (IfB, NonMet, ScopEM)-ETHZ, Ulm University, Hexis SAFunding: SNSFDuration: 20122014

Various electrochemical processes and transportphenomena that depend on the microstructure andon intrinsic material properties affect the elec-trode performance, see Fig. 1. Quantificationof the relevant microstructure parameters suchas particle size, size distributions, triple phaseboundaries (TPB), interfaces, surfaces, tortuosity and constrictivity are important to describemicrostructure-property relationships. These mi-crostructure parameters are incorporated intomodels that simulate the complex electrode reac-tion mechanism, which is necessary to distinguishdifferent components (ionic and electronic trans-port, electrochemistry and charge transfer) of areaspecific resistances (ASR) and associated degra-dation phenomena.

ion conductor (YSZ) e- conductor (Nickel)

Fig. 1: Schematic representation of Ni-YSZ composite an-ode.

In this work, the influence of microstructure on theeffective ionic and electronic conductivities is de-scribed with the following empirical equation: M =eff

0.35/5.2. Thereby, the input microstructureparameters (volume fraction , constrictivity , tor-tuosity , TPB) are obtained from FIB-tomography,see Fig. 2. From the detailed study a com-plex phenomenological pattern of microstructure-performance relationships upon redox degradationis obtained. Performance and degradation vary

strongly, depending on the initial microstructure.For example, finer anode microstructures lead tomore severe degradation of the nickel network, in-cluding stronger Ni-coarsening and increase of tor-tuosity. In contrast, for the YSZ phase the degra-dation is more severe in coarser anode microstruc-tures. Obviously the lower sinter activity of coarseYSZ leads to weak sinter necks. Upon redox cy-cling the exerted mechanical stresses impose aloss of percolation in the rigid YSZ network. Con-sequently, our investigations show that optimizedanode microstructures result from a combinationof fine and coarse powders in well-defined pro-portions and compositions. Hence new fabricationguidelines for improved redox stability of Ni-YSZanodes can be proposed based on the finding ofthis study.

25.5

m

14.7 m 19.4

m

27.1

m

15.3 m 23.4

m 41

.3

m

13.7 m 21.7

m

26.2

m

9.4 m 22.

9 m

27.2

m

11.5 m 23.6

m

29.2

m

12.5 m 24.5 m

FINE MEDIUM COARSE

Bef

ore

redo

x

Afte

r red

ox

Fig. 2: FIB-Tomography of Ni-YSZ anodes before (top) andafter (bottom) redox cycling.

Literature:[1] G. Gaiselmann et al., AIChE J., 60, 2014.[2] P. Costamagna et al., Electrochimica Acta, 43,1998.



2.8 Designing multifunctional materials for PEMFC

For a successful commercialization of proton exchange fuel cells (PEMFC), a high specificpower output must be achieved. Therefore, several porous cell components must be im-proved. In this a project funded by the Swiss National Science Foundation and the SwissFederal Office of Energy, we aim at developing a multi-scale model for a PEMFC to increasethe understanding and the performance of fuel cells through improved materials design.

Contributors: J. Schumacher, L. Capone, L. Holzer, J. Dujc, O. StenzelPartners: Paul Scherrer InstituteFunding: SNSF, Swiss Federal Office of EnergyDuration: 20142017

At the high specific power and current densi-ties, needed for a successful commercializationof the PEMFCs, losses due to the transport ofcharge, mass and heat contribute significantly tothe overall energy conversion losses. These trans-port losses occur in the porous layers of thecell, namely the macroporous gas diffusion layer(GDL), the microporous layer (MPL) and the cat-alyst layer (CL). Macrohomogeneous models en-able study of the complex interplay between oper-ating conditions, materials response and cell per-formance but input parameters are needed to in-clude the micro-scale properties of the compo-nents and interfaces. Moreover, models includ-ing liquid water transport, originated by the elec-trochemical processes occurring in the porous lay-ers, lack of a significant length scale separation be-tween the pore-scale and the GDL thickness.

Fig. 1: Tomographic view of a GDL (left) and its virtual voxel-based material representation (right).

Transport properties in the pore-space are ana-lyzed by 3D imaging (tomography, FIB-SEM mi-croscopy) and spatial statistics are calculated bothunder dry and wet conditions. Subsequently, amodel for the water distribution within experimen-tal and/or virtual geometries is simulated by MonteCarlo techniques at the voxel level, trying to cap-ture also phase-transition phenomena, i.e. con-densation and evaporation occurring in the porousmedia.

Parametrizations of the transport parameters forcharge, heat and the gas components are ob-tained from pore-scale simulations both for dry andwet porous media. These parameterizations areincorporated in a multi-scale model of a PEMFCconnecting the calculations at the pore-level withmacro-homogeneous models of the fuel cell.

Fig. 2: Effective permeability of a GDL is calculated from thevelocity field flowing in its porous structure.

Fig. 3: Virtual porous structure (red) with binder (green) andpercolation paths (blue).

Literature:[1] M. Rebai, M. Prat., J. Power Sources, 192,534543, 2009.[2] K. Steinkamp, et al., J. Fuel Cell Sci. and Tech.,5, 1100711022, 2008.[3] K. Seidenberger, et al., J. Power Sources, 239,628641, 2013.



2.9 Transmission-Line-Mod

zhaw icp research report 2014

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