TU Braunschweig: LeoPARD - Publications And Research Data
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Neufassung der Besonderen Ordnung über den Zugang und die Zulassung für den Bachelorstudiengang "Bioelectronics Engineering" der Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik
No full textExponentially Reduced Reflection (ERR) for Water Waves
Full text linkDer vorliegende Artikel stellt eine prägnante Darstellung der vom Autor 2019, [1] veröffentlichten elliptischen Theorie für Meereswellen dar, die als lineare Theorie auf dem Prinzip der exponentiell reduzierten Reflexion (ERR) beruht. Er umfasst weitgehend die Zusammenfassung der Inhalte der betreffenden Titel des Schriftenverzeichnisses, deren wesent-lichen Resultate zur Anwendung und zum besseren Verständnis der ERR herangezogen werden sollten. Im Wesentlichen wird Bezug genommen auf empirische Untersuchungen irregulärer Wellen an einer technisch glatten Böschungsoberfläche im Wellenkanal der Hochschule Bielefeld University of Applied Sciences and Arts. Dabei wird exemplarisch die Energieverteilung eines Teilfrequenzbereiches 0.4875Hz < f <0.51875Hz des vorgegebenen Energies-pektrums (0.0Hz< f <0.75Hz) mit Kennzeichen partiell stehender Wellen näher untersucht. Die daraus abgeleiteten spezi-ellen Wellenparameter beziehen sich exemplarisch auf eine Partialwelle des genannten Frequenzbereiches und stellen beispielhaft die Grundlage für die nach der neuen Theorie berechneten Parameter der Orbitalkinematik dar. Eine Vergleichsrechnung der ERR gegenüber der Airy/Laplace-Theorie für ein realisiertes Offshore-Bauwerk findet sich in [2]und eine Anleitung zur beispielhaften Anwendung der Theorie an steilen Küsten ist in [3] beigefügt.This article is a concise presentation of the linear theory for ocean waves published by the author in 2019 [1], which is a linear theory based on the principle of exponentially reduced reflection (ERR). It largely comprises the summary of the list of the authors publications, the essential results of which should be used for the application and better under-standing of the ERR. Essentially, reference is made to empirical investigations of irregular waves on a technically smooth slope surface in the wave channel at Bielefeld University of Applied Sciences. As an example, the energy distribution of a partial frequency range 0.4875Hz < f <0.51875Hz of the given energy spectrum (0.0Hz< f <0.75Hz) is examined in more detail with characteristics of partial standing waves. The special wave parameters derived from this relate to a partial wave of the frequency range mentioned and represent an example of the basis for the orbital kinematics parameters calculated according to the new theory. A comparative calculation of the ERR compared to the Airy/Laplace theory for a realized offshore structure can be found in [2]. Instructions for the exemplary application of the theory on steep coasts can be found in [4]
Building and insulating materials made of wood and other renewable raw materials and their behavior under the effects of heat, moisture and mechanical load
Full text linkDas Bauen mit Holz und anderen nachwachsenden Rohstoffen ist in der Zeit nach dem zweiten Weltkrieg sehr stark in den Hintergrund geraten, obwohl die Dauerhaftigkeit von Holzgebäuden bei richtiger Ausführung über historische Bauten belegt ist. Andere Baustoffe wie Beton, Stahl, Glas, Kunststoffe und Mineralfaserdämmstoffe haben Baustoffe aus nachwachsenden Rohstoffen so weit zurückgedrängt, dass vieles von dem Wissen über die Materialien und deren Handhabung verlorengegangen ist. Seit Mitte der 1990er Jahre hat der sogenannte ökologische Holzbau aufgrund unterschiedlichster Umstände immer mehr an Popularität gewonnen. Die Entwicklungen in der Holzwerkstofftechnologie und Änderungen in Normen und anderen Standards haben dazu geführt, dass eine sehr große Vielfalt an Bau- und Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen von in der Regel kleinen und mittelständischen Unternehmen am Markt etabliert sind. Nahezu alle Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen haben gemeinsam, dass sie a) verhältnismäßig große Streuungen in den Materialeigenschaften aufweisen und b) anisotrop sind. Die große Vielfalt an Produkten sowie Streuungen und Anisotropie sind sehr schwer in Einklang zu bringen • mit der Tendenz, immer genauer Messen und Simulieren zu wollen und • mit dem Fakt, dass das Bauwesen sehr stark von Einzelprüfungen geprägt ist. Sowohl übliche Simulationen als auch Einzelprüfungen berücksichtigen die Streuungen der Materialkennwerte und die große Vielfalt der Produkte nicht. Die anisotropen Materialeigenschaften verkomplizieren die Situation zusätzlich. Während hinsichtlich des Tragverhaltens von Holzkonstruktionen umfangreiche Versuchsreihen zur Ermittlung von Materialkennwerten durchgeführt werden, die eine statistische Auswertung ermöglichen, werden bauphysikalische Eigenschaften anhand weniger Proben ermittelt, die die üblichen Materialstreuungen unzureichend abdecken können. Insgesamt hat sich über die Jahrzehnte eine unbefriedigende Situation sowohl für die Hersteller von Bauprodukten, aber auch für die PlanerInnen und AnwenderInnen eingestellt. Die wissenschaftliche Fragestellung, die allen Vorhaben, die dieser Dissertation zugrunde liegen, ist die Frage nach funktionalen Beziehungen zwischen Einflussparametern und Auswirkungen: Dosis-Wirkungsbeziehungen. Diese funktionalen Beziehungen sollen das Ziel verfolgen, zuverlässige Prognosen erstellen zu können – Bau- und Dämmstoffe sowie die daraus hergestellten Konstruktionen „berechenbar“ zu machen, um den experimentellen, prüftechnischen Aufwand reduzieren und die Zuverlässigkeit erhöhen zu können. Prognosen hinsichtlich • des Diffusionswiderstandes von Holzwerkstoffen und anderer bauphysikalischer Eigenschaften, • des Trag- und Verformungsverhaltens von Holzfaserdämmstoffen (in Wärmedämmverbundsystemen (WDVS)) und • des Einflusses von Naturfaserdämmstoffen auf den konstruktiven Feuchteschutz von Holzkonstruktionen. Im Rahmen mehrerer Vorhaben wurden umfangreiche experimentelle und rechnerische Untersuchungen an Materialien, Materialkombinationen und Bauteilen durchgeführt, die insgesamt zu einem größeren Verständnis bauphysikalischer und mechanischer Eigenschaften führen sollen. Die Erkenntnisse können dazu beitragen, mit einer größeren Genauigkeit prognostizieren zu können, wobei diese auf der Möglichkeit beruht, Wahrscheinlichkeiten zu berücksichtigen, die die Streuungen der Werte der Materialeigenschaften beinhalten. Mit Hilfe der durchgeführten Arbeiten und der daraus gewonnenen Erkenntnisse, nämlich der Möglichkeit aufgrund von funktionalen Beziehungen rechnerische Prognosen erstellen zu können, lässt sich der experimentelle Versuchsaufwand zur Ermittlung von • Materialeigenschaften o mehrere bauphysikalische und mechanische Werte von Holzwerkstoffen inklusive Holzfaserdämmstoffen o einzelne bauphysikalische Eigenschaften von Naturfaserdämmstoffen • Bauteileigenschaften o Trag- und Verformungsverhalten von WDVS mit Holzfaserdämmstoffen o konstruktiver Feuchteschutz von Holzkonstruktionen mit Naturfaserdämmstoffen (jeweils im Holzbau) reduzieren, bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit. Folgende Beispiele sollen dies verdeutlichen: • Es ist mit den Arbeiten wissenschaftlich bewiesen, dass alle Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen den konstruktiven Holzschutz unterstützen oder zumindest nicht behindern. Die vermeintlichen Unterschiede der Dämmstoffe untereinander sind verhältnismäßig groß, dennoch für diesen konkreten Fall des Holzschutzes nicht signifikant. Vermeintlich genauere Messungen von Materialeigenschaften und Simulationen liefern keine exakteren Ergebnisse und sind deshalb unnütz. Hierzu sind Anteile dieser Erkenntnisse bereits in die DIN 68800-2 eingeflossen. Den Normenausschuss zur DIN 4108-3 haben diese Erkenntnisse jedoch noch nicht vollständig durchdrungen. • Bei Holzwerkstoffen kann die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl μ kein Einzelwert sein. Der Wert ändert sich mit der Feuchtigkeit und wird von etlichen Produktionsparametern beeinflusst. Die Bandbreite des Wertes für ein konkretes Bauprodukt kann jedoch mit Kenntnis der Bandbreite der Produktionsparameter prognostiziert werden, ohne den Wert in Prüfungen messen zu müssen. Die Vereinfachung liegt somit darin, dass der μ-Wert nicht in aufwändigen Versuchsreihen ermittelt werden muss. Die Vereinfachung für PlanerInnen und AnwenderInnen besteht darin, dass bei konsequenter Anwendung der Erkenntnisse alle Holzwerkstoffe im jeweils selben Anwendungsbereich sehr ähnliche bis gleiche Werte aufweisen. Konkret muss man beispielsweise aufgrund dieser Erkenntnisse eingestehen, dass alle im Markt etablierten OSB über die gesamte Produktion betrachtet einen ähnlichen Widerstand gegenüber Wasserdampfdiffusion aufweisen. Die deklarierten Werte beruhen auf Zufallsergebnissen und sind nicht statistisch belegbar. Ausschließlich tendenzielle Unterschiede sind zwischen OSB/3 und OSB/4 aufgrund der Unterschiede der Rohdichte gegeben. Gleiches gilt analog für andere hygrothermische Kennwerte. • Vorgenanntes gilt ebenfalls auch für die Wärmeleitfähigkeit von Holzfaserdämmstoffen. Die Zusammenhänge zwischen Wärmeleitfähigkeit und Rohdichte sind eindeutig. Solange die Produktion nicht maßgeblich geändert wird, kann die Wärmeleitfähigkeit anhand der Rohdichte mit baupraktisch ausreichender Genauigkeit prognostiziert werden. Zudem sind die Unterschiede im Vergleich zu den üblichen Unwägbarkeiten bei einer Prognose im Bauwesen nicht signifikant. • Vorgenanntes gilt wiederum analog für die Verwendung von Holzfaserdämmplatten in Wärmedämmverbundsystemen (WDVS). Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften korrelieren bei ansonsten gleichbleibenden Produktionsbedingungen eindeutig untereinander und mit der Rohdichte. Das bedeutet in der praktischen Anwendung, dass Dämmplatten unterschiedlicher Hersteller bei ähnlichen Produktionsbedingungen und ähnlicher Rohdichte auch ähnliche Festigkeits- und Steifigkeitswerte aufweisen. Was wiederum bedeutet, dass Dämmplatten unterschiedlicher WDVS aus rein technischer Sicht untereinander austauschbar sind, was tatsächlich auch bereits tägliche Baupraxis darstellt. Die Vereinfachung kann somit darin bestehen, dass Systemkomponenten ohne aufwändige Nachweise substituiert oder ergänzt werden können. Das bezüglich des Wärme- und Feuchteschutzes in Kombination mit dem Tragverhalten Genannte, ist übertragbar auf die Situationen im Brand- und Schallschutz. Im Schallschutz werden die Anforderungen immer weiter hochgesetzt und es wird versucht, mit Einzelprüfungen im Originalmaßstab, also mit verhältnismäßig großem Aufwand in Kombination mit einem einzigen Systemaufbau, diese Anforderungen zu erreichen. Sehr erfolgversprechende Ansätze zur Simulation des Bauteilverhaltens existieren bereits. Im Brandschutz werden zwar keine höheren Anforderungen gestellt, die Prognosemöglichkeiten mit Hilfe der numerischen Simulation sind jedoch noch stark eingeschränkt. Dabei ist die „Reduzierung“ aller Vorgänge auf rein physikalische, und im Brandfall auch chemische, Vorgänge ausgesprochen erfolgversprechend.While extensive series of tests are carried out to determine material parameters for the load-bearing behavior of timber constructions, which enable statistical evaluation, building physics properties are determined using a small number of samples that cannot adequately cover the usual material scatter. Overall, an unsatisfactory situation has developed over the decades, not only for the manufacturers of building products, but also for planners and users. The scientific question underlying all the projects in this dissertation is the question of functional relationships between influencing parameters and effects: Dose-response relationships. The aim of these functional relationships is to be able to make reliable predictions - to make building and insulating materials and the constructions made from them “calculable” in order to reduce the experimental and testing effort and increase reliability. Forecasts regarding • the diffusion resistance of wood-based materials and other physical building properties • the load-bearing and deformation behavior of wood fiber insulation materials (in ETICS) and • the influence of natural fiber insulation materials on the structural moisture protection of timber constructions. As part of several projects, extensive experimental and computational investigations were carried out on materials, material combinations and components, which should lead to a greater understanding of building physics and elasto-plastic-mechanical properties. The findings can contribute to a more accurate prognosis, which is based on the possibility of taking into account probabilities that include the scattering of the values of the material properties. With the help of the work carried out and the knowledge gained from it, namely the ability to make computational predictions based on functional relationships, the experimental testing effort required to determine • material properties o several physical and mechanical values of wood-based materials including wood fiber insulation materials o individual physical building properties of natural fiber insulation materials • Component properties o Load-bearing and deformation behavior of ETICS with wood fiber insulation materials o structural moisture protection of timber constructions with natural fiber insulation materials (in each case in timber construction), while increasing reliability at the same time. The findings can also be transferred to other scenarios, in particular fire incidents. Initial approaches have already been carried out
Light spectrum: artificial vs. natural light in poultry husbandry
Full text linkLicht ist ein bedeutender Faktor in der Nutzgeflügelhaltung, insbesondere im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung von Haltungsverfahren, unter Berücksichtigung von Außenklimareizen und tiergerechten Haltungsformen. Hierbei rückt das Verhalten des Vogels stärker in den Fokus, welches stark durch den Sehsinn und die visuelle Wahrnehmung von Nutzgeflügel geleitet wird. Insbesondere die Unterschiede zum Menschen, wie das Sehen im UV-Bereich beim Geflügel, erschwert die tiergerechte Ausgestaltung der Umwelt für Geflügel. Das Lichtspektrum im Stall ist ein Parameter, welcher bspw. durch die Wahl von Fenstermaterialien stark beeinflusst wird, aber auch in Ergänzung zur Farbtemperatur vorliegen muss. Dies ermöglicht die Bewertung verschiedener Stallumgebungen und eine Einschätzung des Faktors Licht als definierte Einflussgröße bezüglich lichtbezogener Verhaltensauffälligkeiten.Light is a significant factor in poultry farming, particularly in the further development of husbandry systems, taking into account outdoor climate stimuli and animal-friendly housing conditions. In this context, the behavior of birds is increasingly coming into focus, as it is strongly guided by their sense of sight and visual perception. The differences from humans, such as poultry’s ability to see in the UV spectrum, make it more challenging to design an environment that meets their needs. The light spectrum in the barn is a crucial parameter, influenced, for example, by the choice of window materials, but it must also be considered in conjunction with color temperature. This allows for the evaluation of different housing environments and an assessment of light as a defined influencing factor in relation to light-related behavioral disorders
Tractor Engines and Transmissions
Full text linkBei klassischen Dieselmotoren für Traktoren gab es im Berichtszeitraum keine wesentlichen Neuheiten. Seit Frühjahr 2024 stehen die Emissionsgrenzwerte und Prüfanforderungen der EU-Abgasnorm EURO 7 für Straßenfahrzeuge fest. Ob daraus längerfristig eine neue Abgasstufe für Nonroad-Fahrzeuge abgeleitet wird, ist noch offen. Weiterhin viele Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten gibt es bei H2-Verbrennungsmotoren und H2-Tankkonzepten. Weichai Lovol gab weitere Information zu dem bereits im letzten Jahr erwähnten leistungsverzweigten Stufenlosgetriebe frei, so dass ein Getriebeplan erstellt werden konnte. Stark vorangetrieben wird auch die Entwicklung von elektrifizierten Antriebssträngen mitsamt Leistungselektronik. Die hohen Herstellkosten und Komponentengewichte sowie die geringe Energiedichte von Energiespeichern verhinderten bisher eine nennenswerte Marktdurchdringung.There were no significant innovations in conventional diesel engines for tractors in the reporting period. The emission limits and test requirements of the EU EURO 7 emissions standard for road vehicles have been in place since spring 2024. It remains to be seen whether a new emissions standard for non-road vehicles will be derived from this in the longer term. H2 combustion engines and H2 refueling concepts continue to be the subject of much research and development activity. Weichai Lovol released further information on the power-split CVT mentioned last year, so that a transmission scheme could be drawn up. The development of electrified drivetrains including power electronics is also being driven forward. However, the high manufacturing costs and component weights as well as the low energy density of energy storage systems have so far prevented significant market penetration
Agricultural Tractor Development
Full text linkMit 29.494 neu zugelassenen Traktoren lag das Traktorengeschäft 2024 in Deutschland lediglich 2.8% unter dem Vorjahr, größere Verschiebungen waren aber bei den Marktanteilen zu verzeichnen. Zum Themenfeld "Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe" gab es wieder zahlreiche Veranstaltungen und Publikationen. Die Volkswagen Gruppe stellte ein Projekt mit einem batterieelektrischen Kleintraktor vor, mit welchem die Mechanisierung in Schwellenländern vorangetrieben werden könnte. Der chinesische Hersteller ZSHX Advanced Tractor präsentierte mit dem XEEVO E904i einen batterieelektrischen Traktor, der in Europa ab 2025 auf den Markt kommen soll. Ein "Highlight" stellte im Berichtsjahr die Vorstellung der großen 9RX-Modelle von John Deere mit Maximalleistungen von bis zu 672 kW dar. Daneben legten die Hersteller den Fokus auf die Überarbeitung und Erweiterung von bestehenden Baureihen. Auffallend waren die vielen Entwicklungsaktivitäten im Bereich der Autonomisierung.At 29,494, the number of newly registered tractors in Germany in 2024 was only 2.8% below the previous year's figures, however with major shifts in market shares. There were once again numerous events and publications on the topic of "Alternative drive concepts and fuels". The Volkswagen Group presented a project with a simple battery-powered small tractor that could be used to drive mechanization in emerging countries. Chinese manufacturer ZSHX Advanced Tractor presented the XEEVO E904i, a battery-electric tractor that is due to be launched on the European market from 2025. The presentation of the large 9RX models by John Deere with maximum outputs of up to 672 kW was a highlight in the reporting year. In addition, manufacturers focused on revising and expanding existing model ranges. There was again a lot of development activity in the area of automatization
Modelling and Design of Acoustic Black Holes
Full text linkIm Rahmen eines akustikgerechten Konstruierens bieten unterschiedlichste Maßnahmen ein Potenzial zur Reduzierung der Schallabstrahlung. Werden diese Maßnahmen in die Wirkweisen Tilgung, Dämmung und Dämpfung eingeordnet, sind die Akustischen Schwarzen Löcher (ASL) dieser Arbeit den dämpfenden Maßnahmen zuzuordnen. Beim ASL wird die Struktur unter gleichzeitiger Applizierung dämpfender Beläge an einer definierten Stelle geschwächt. Dies führt zur Überhöhung der Schwingungsamplituden im Wellenfeld und damit zu einer lokal stark erhöhten Dissipation aufgrund der größeren Dehnungen. Hauptziel der Arbeit ist es, im Rahmen einer praktischen Betrachtung der Maßnahme Empfehlungen zur numerischen Modellierung und Gestaltung von ASL auf Basis von validen numerischen Parameterstudien abzuleiten. Dazu werden zunächst akustische Grundlagen, die numerische Modellierung mittels der FEM (Finite Elemente Methode) und analytische Modelle dämpfender Beläge vorgestellt. Auf eine Übersicht der wichtigsten Veröffentlichungen im Bereich der ASL folgt eine grobe Betrachtung fertigungstechnischer Grenzen sowie die Erklärung des Vorgehens beim Fertigen von Demonstratoren. Ob analytisches Modell oder numerische Simulation belasteter Bauteile, für die meisten Berechnungen, ob statisch oder dynamisch, sind Materialparameter als Eingangsgrößen essenziell. Daher stellt die Arbeit ein Verfahren zur Bestimmung frequenzabhängiger Elastizitätsmodule und Verlustfaktoren vor. Dies wird experimentell an Ein-, Zwei- und Dreischichtbalken demonstriert. Zusammen mit den analytischen Modellen dämpfender Beläge wird das Verfahren auch zur Bestimmung der Materialparameter von ein- und zweischichtigen Dämpfungsbelägen angewandt. Die ermittelten Materialeigenschaften fließen als Eingangsgrößen in die FE-Simulationen von ein und zweidimensionalen ASL-Strukturen des Hauptkapitels ein. Ein Vergleich zwischen experimentellen und simulativen Ergebnissen bestätigt eine realitätsnahe Modellierung und bildet die Grundlage für die Parameterstudien. In diesen Untersuchungen werden für ein- und zweidimensionale ASL die Mindestdicke und die Form der Dickenreduzierung variiert und die Wirkfrequenz des ASL durch analytische Gleichungen abgeschätzt. Am zweidimensionalen ASL wird weiter die Position des ASL auf der Struktur relativ zur Kraftanregung sowie der Einfluss seiner Größe betrachtet. Anhand numerischer und experimenteller Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses des Durchmessers und der Kontur der ASL wird deren großes Potenzial aufgezeigt. Eine mögliche praxisorientierte Anwendung elliptischer ASL wird im Abschluss der Arbeit am Beispiel einer Ölwanne aus Aluminium-Druckguss betrachtet. Diese wird auf Basis der im vorherigen Kapitel zusammengefassten Designempfehlungen mit drei ASL versehen und deren Wirkung experimentell ermittelt.As part of an acoustics-oriented design, different measures offer potential for reducing the radiated sound power. If these measures are separated into different effects such as tuned mass dampers, absorption, and damping, Acoustic Black Holes (ABH) are classified as damping measures. With ABH, the structure is weakened in a defined area with the simultaneous application of damping foils. This leads to an increase in the vibration amplitudes in the wave field and thus to locally increased dissipation due to the higher strains in the damping patch. The main objective of the work is to provide recommendations for the numerical modelling and design of ABH based on valid numerical parameter studies. For this purpose, acoustic fundamentals, numerical modelling using the Finite Element Method (FEM), and analytical models of damping foils are first presented. An overview of the most important publications in the scientific field of ABH is followed by a rough consideration of manufacturing limits and an explanation of the procedure for manufacturing demonstrators. Whether for analytical models or numerical parameter studies, material parameters are essential as input variables for most calculations, whether for statically or dynamically loaded components. Therefore, the thesis presents a method for the determination of frequency-dependent flexural elastic moduli and loss factors. This will be demonstrated experimentally on single, double, and triple-layered beams. Based on the analytical models of damping foils, the method is also used to determine the material parameters of one- and two-layer damping patches. The determined material properties are used as input variables for the FE simulations of one- and twodimensional ABH structures in the main chapter. A comparison between experimental and simulative results confirms a realistic simulation and forms the basis for the design parameter studies. In these studies, the minimum thickness and the shape of the thickness reduction are varied for one- and twodimensional ABH, and the cut-on frequency of the ABH is estimated using analytical equations. For two-dimensional ABH, the position of the ABH on the structure relative to the force excitation, as well as the influence of its size, are also considered. Based on numerical and experimental investigations regarding the influence of the diameter and contour of the ASL, their great potential is demonstrated. A possible practical application of elliptical ASL is considered at the end of the work using an oil pan made of aluminium as an example. This is equipped with three ASL based on the design recommendations summarized in the previous chapter, and their effect is experimentally determine
Modellierung von Transportprozessen in poröse Transportschichten in Polymer-Elektrolyt-Membran-Wasserelektrolyseuren
Full text linkThe porous transport layer (PTL) substantially contributes to the performance of polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolyzers. Investigation of the PTL properties is of critical importance to optimize the electrolyzer performance by tailoring the structural design of the PTL to improve mass transport efficiency, minimize overpotentials, and increase the overall durability and efficiency of the electrolyzer. In this thesis, a systematic research framework is proposed to comprehensively identify multiple critical physical properties associated with the primary functions of the PTL. To begin with, an experimental reconstruction method based on X-ray micro-computed tomography (XCT) imaging, and a stochastic reconstruction method for customized PTL structures are employed to generate PTLs with different features (e. g., porosity, pore size, distribution). These reconstruction methods enable the generation of realistic and reliable PTL microstructures, the characterization of their morphology and topology, as well as concise and extensive parametric studies. Subsequently, the transport properties of various PTLs, such as the gas diffusion, electrical conductivity, and thermal conductivity, are computed by pore-scale modeling (PSM). Furthermore, the distribution and transport efficiency of product oxygen within water-rich PTLs is thoroughly understood by utilizing the Lattice Boltzmann method (LBM). Moreover, differences in various properties between different types of PTLs (e. g., sintered titanium powder and titanium fiber) are elucidated. The performance of a PEM electrolyzer at specific operating conditions (under compression) is characterized by electrochemical modeling. Innovative designs for PTL structures (e. g., double-layer PTLs) have also been proposed and evaluated, demonstrating improved properties. These thorough computations and observations reveal the various tunable properties of the PTL by customizing the microstructure. This thesis provides insights and references for a better understanding of the properties of PTLs. The findings and conclusions obtained offer practical guidelines for the design and application of PTLs in commercial large-scale water electrolyzers.Die poröse Transportschicht (engl. PTL) trägt wesentlich zur Leistung von Polymer-Elektrolyt-Membran (engl. PEM)-Wasserelektrolyseuren bei. Die Untersuchung der PTL-Eigenschaften ist von entscheidender Bedeutung, um die Leistung des Elektrolyseurs zu optimieren. Durch die Anpassung des strukturellen Designs der PTL können die Massentransporteffizienz verbessert, die Überspannungen minimiert und die Gesamtlebensdauer und Effizienz des Elektrolyseurs erhöht werden. In dieser Dissertation wird ein systematischer Forschungsrahmen vorgeschlagen, um umfassend mehrere kritische physikalische Eigenschaften zu identifizieren, die mit den primären Funktionen der PTL verbunden sind. Zunächst werden eine experimentelle Rekonstruktionsmethode auf Basis der Röntgen-Mikrocomputertomographie (engl. XCT)-Bildgebung und eine stochastische Rekonstruktionsmethode für PTL-Strukturen eingesetzt, um PTLs mit unterschiedlichen Merkmalen (z. B. Porosität, Porengröße, Verteilung) zu erzeugen. Diese Rekonstruktionsmethoden ermöglichen die Generierung realistischer und zuverlässiger PTL-Mikrostrukturen, die Charakterisierung ihrer Morphologie und Topologie sowie präzise und umfassende Parameterstudien. Anschließend werden die Transporteigenschaften verschiedener PTLs, wie der Gasdiffusionskoeffizient, die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit, durch Modellierung im Porenmaßstab (engl. PSM) berechnet. Darüber hinaus wird die Verteilung und Transporteffizienz von Sauerstoff innerhalb wasserreicher PTLs mittels der Lattice-Boltzmann-Methode (engl. LBM) umfassend verstanden. Zudem werden Unterschiede in verschiedenen Eigenschaften zwischen unterschiedlichen PTL-Typen (z. B. gesintertes Titanpulver und Titanfaser) aufgezeigt. Die Leistung eines PEM-Elektrolyseurs unter spezifischen Betriebsbedingungen (unter Kompression) wird durch elektrochemische Modellierung charakterisiert. Innovative Designs für PTL-Strukturen (z. B. Doppelschicht-PTLs) wurden ebenfalls vorgeschlagen und bewertet, wobei verbesserte Eigenschaften demonstriert wurden. Diese gründlichen Berechnungen und Beobachtungen zeigen die verschiedenen einstellbaren Eigenschaften der PTL durch Anpassung der Mikrostruktur. Diese Dissertation bietet aufschlussreiche Erkenntnisse und Referenzen für ein besseres Verständnis der Eigenschaften von PTLs. Die gewonnenen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen liefern praktische Leitlinien für das Design und die Anwendung von PTLs in kommerziellen großtechnischen Wasserelektrolyseuren