TY - JOUR A1 - Hartnig, C. A1 - Kuhn, R. A1 - Krüger, P. A1 - Manke, I. A1 - Kardjilov, N. A1 - Goebbels, Jürgen A1 - Müller, Bernd R. A1 - Riesemeier, Heinrich T1 - Wassermanagement in Brennstoffzellen - die Bedeutung von hochauflösenden zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden JF - MP materials testing N2 - Ein effektives Wassermanagement ist ein wichtiger Aspekt in der Entwicklung von Brennstoffzellen hinsichtlich Langzeitstabilität und Optimierung der Leistungsfähigkeit. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Gasdiffusionslage, die für die gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase auf die elektrochemisch aktive Schicht (Katalysator) sorgen soll. In diesem Beitrag werden gemeinsame Forschungsaktivitäten des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (Entwicklung bildgebender Verfahren) sowie des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW, Entwicklung von Brennstoffzellen) vorgestellt. Im Rahmen dieser Kooperation werden die Entstehung, die Verteilung und der Transport von flüssigem Wasser, kurz das Wassermanagement, unter Betriebsbedingungen untersucht. Mittels Synchrotronradiografie und -tomografie werden kleinste Wassercluster in der Gasdiffusionslage detektiert. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen der Modifikation und einer gezielten Auswahl der eingesetzten Materialien. KW - Synchrotronstrahlung KW - Brennstoffzellen KW - Materialcharakterisierung KW - Zerstörungsfrei PY - 2008 SN - 0025-5300 VL - 50 IS - 10 SP - 609 EP - 614 PB - Hanser CY - München AN - OPUS4-18656 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Arlt, Tobias A1 - Grothausmann, R. A1 - Manke, I. A1 - Markötter, H. A1 - Hilger, A. A1 - Kardjilov, N. A1 - Tötzke, C. A1 - Banhart, J. A1 - Kupsch, Andreas A1 - Lange, Axel A1 - Hentschel, Manfred P. A1 - Krüger, P. A1 - Haußmann, J. A1 - Hartnig, C. A1 - Wippermann, K. T1 - Tomografische Methoden für die Brennstoffzellenforschung JF - Materials Testing N2 - Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten können Brennstoffzellen einen wichtigen Beitrag zur zukünftigen Energieversorgung leisten. Für die Optimierung der Brennstoffzellentechnik ist es erforderlich, die während des Zellbetriebs ablaufenden Prozesse zu verstehen und exakt zu charakterisieren. Ein ausbalanciertes Wassermanagement ist die Grundlage für die optimale Leistungsfähigkeit einer wasserstoffbetriebenen Zelle. Das während des Betriebs entstehende Wasser muss die Membran ausreichend befeuchten, um deren Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Andererseits behindern zu große Wasseransammlungen in der Zelle die Gaszufuhr durch die porösen Materialien sowie in den Kanälen der Gasverteilerstrukturen. Alterungsphänomene einzelner Zellkomponenten können die Verteilung der Wasseransammlungen und somit das Wassermanagement empfindlich stören und so die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle herabsetzen. Zur Analyse der Wasserverteilung werden zerstörungsfreie, bildgebende Methoden, wie die Ex-situ-Neutronentomografie und die In-situ-Synchrotronradiografie, eingesetzt. Diese Methoden können während des Brennstoffzellenbetriebs mit weiteren Messverfahren, beispielsweise der ortsaufgelösten Stromdichtemessung, kombiniert werden. Auf diese Weise werden einzelne Komponenten, wie zum Beispiel die Gasdiffusionsschichten, charakterisiert. KW - Computertomographie KW - Elektronentomographie KW - Neutronentomographie KW - Brennstoffzelle KW - Stromdichtemessung KW - Wassermanagement PY - 2013 DO - https://doi.org/10.3139/120.110429 SN - 0025-5300 VL - 55 IS - 3 SP - 207 EP - 213 PB - Hanser CY - München AN - OPUS4-27950 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Arlt, Tobias A1 - Grothausmann, R. A1 - Manke, I. A1 - Markötter, H. A1 - Krüger, P. A1 - Haussmann, J. A1 - Hilger, A. A1 - Kardjilov, N. A1 - Hartnig, C. A1 - Kupsch, Andreas A1 - Lange, Axel A1 - Hentschel, Manfred P. A1 - Wippermann, K. A1 - Banhart, J. T1 - Tomografische Methoden für die Brennstoffzellenforschung T2 - DGZfP-Jahrestagung 2011 N2 - Auf Grund des hohen Wirkungsgrades und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten stellen Brennstoffzellen sowie Brennstoffzellenverbünde eine vielversprechende Energiequelle dar. Daher ist es wichtig, die Prozesse während des Betriebs einer Brennstoffzelle exakt charakterisieren zu können, um diese im nächsten Schritt zu optimieren. So ist ein ausbalanciertes Wassermanagement in einer mit Wasserstoff betriebenen Zelle ausschlaggebend für ihre Leistungsfähigkeit. Für eine dauerhafte Leistungsfähigkeit muss das entstehende Wasser die Membran feucht halten, um so die Protonenleitfähigkeit aufrecht zu erhalten. Zu viel Wasser kann jedoch die Gaszufuhr durch die porösen Materialien in Richtung Membran verhindern. Alterungsphänomene der einzelnen Komponenten können dieses sensible Wassermanagement stören und so die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle herabsetzen. Zum tieferen Verständnis der Wasserverteilung werden zerstörungsfreie Methoden, wie zum Beispiel die ex situ Neutronentomografie oder die in situ Synchrotronradiografie eingesetzt. Letztere Methode kann während des Brennstoffzellenbetriebs in Kombination mit weiteren Messmethoden, wie der ortsaufgelösten Stromdichtemessung, eingesetzt werden. So können einzelne Brennstoffzellenkomponenten, wie die Gasdiffusionsschichten, charakterisiert werden. T2 - DGZfP-Jahrestagung 2011 CY - Bremen, Germany DA - 30.05.2011 KW - Computer-Tomographie KW - Rekonstruktionsalgorithmen KW - Röntgen-Kanten-Tomographie KW - Neutronen-Tomographie KW - Elektronen-Tomographie PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-250023 SN - 978-3-940283-33-7 IS - DGZfP-BB 127 (P7) SP - 1 EP - 8 PB - Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP) AN - OPUS4-25002 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Markötter, H. A1 - Haußmann, J. A1 - Alink, R. A1 - Dittmann, K. A1 - Tötzke, C. A1 - Krüger, P. A1 - Klages, M. A1 - Arlt, Tobias A1 - Müller, Bernd R. A1 - Riesemeier, Heinrich A1 - Scholta, J. A1 - Gerteisen, D. A1 - Manke, I. A1 - Banhart, J. T1 - Investigation of fuel cell materials and liquid water transport by means of synchrotron imaging JF - ECS transactions N2 - Synchrotron imaging allows addressing various important issues in fuel cell research, for example water distribution and transport. The water distribution in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) was observed quasi in-situ directly after operation by means of synchrotron tomography. The 3D data set was compared with the tomogram of a dry cell in order to separate the water distribution from cell materials. Engineered transport pathways realized by perforating holes through the gas diffusion layer (GDL) are a recent approach to optimize water transport and cell performance. For some parameter sets a cell performance increase and an improvement of stabilization have already been proven. We present high resolution investigations of the water distribution in perforated GDLs of operating PEMFCs by means of in-situ synchrotron radiography. The surrounding areas of the holes exhibited a distinct hydrophilic character. KW - Gas-diffusion layers KW - Resolution neutron-radiography KW - X-ray radiography KW - Visualization KW - PEMFC PY - 2013 DO - https://doi.org/10.1149/04529.0195ecst SN - 1938-6737 SN - 1938-5862 VL - 45 IS - 29 SP - 195 EP - 202 CY - Pennington, NJ, USA AN - OPUS4-30545 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Markötter, H. A1 - Manke, I. A1 - Krüger, P. A1 - Arlt, Tobias A1 - Huassmann, J. A1 - Klages, M. A1 - Riesemeier, Heinrich A1 - Hartnig, C. A1 - Scholta, J. A1 - Banhart, J. T1 - Investigation of 3D water transport paths in gas diffusion layers by combined in-situ synchrotron X-ray radiography and tomography JF - Electrochemistry communications N2 - The three-dimensional water distribution and water transport paths in the gas diffusion layer (GDL) and the adjacent micro-porous layer (MPL) of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) were analyzed during cell operation. The technique of quasi in-situ X-ray tomography was used for a 3D visualization of the water distribution and the structure of the GDL at different operating conditions. Based on findings from in-situ radiographic measurements water transport paths were detected and subsequently examined by tomography. The combination of these 2D and 3D techniques allows for a fully three-dimensionally resolved visualization of transport paths through the GDL. KW - Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) KW - Radiography KW - Tomography KW - Synchrotron X-ray imaging KW - Gas diffusion layer (GDL) KW - Water transport paths PY - 2011 DO - https://doi.org/10.1016/j.elecom.2011.06.023 SN - 1388-2481 VL - 13 IS - 9 SP - 1001 EP - 1004 PB - Elsevier B.V. CY - Amsterdam AN - OPUS4-25244 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Maier, W. A1 - Arlt, Tobias A1 - Wannek, C. A1 - Manke, I. A1 - Riesemeier, Heinrich A1 - Krüger, P. A1 - Scholta, J. A1 - Lehnert, W. A1 - Banhart, J. A1 - Stolten, D. T1 - In-situ synchrotron X-ray radiography on high temperature polymer electrolyte fuel cells JF - Electrochemistry communications N2 - In contrast to classical low temperature polymer electrolyte fuel cells (LT-PEFCs), the membrane conductivity in high temperature polymer electrolyte fuel cells (HT-PEFCs) (operating temperature ~ 160 °C) is based on proton transport within phosphorus-oxygen acids at different levels of hydration, orthophosphoric acid (H3PO4) being the simplest example. We present for the first time in-situ synchrotron X-ray radiography measurements applied to a HT-PEFC to gain insight into the local composition of the membrane electrode assembly (MEA) under dynamic operating conditions. Transmission changes during the radiographic measurements exhibit a clear influence of the formation of product water on the membrane composition. KW - HT-PEFC KW - Synchrotron x-ray radiography KW - Membrane electrode assembly (MEA) KW - Phosphoric acid PY - 2010 DO - https://doi.org/10.1016/j.elecom.2010.08.002 SN - 1388-2481 VL - 12 IS - 10 SP - 1436 EP - 1438 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-23962 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Manke, I. A1 - Hartnig, C. A1 - Kardjilov, N. A1 - Riesemeier, Heinrich A1 - Goebbels, Jürgen A1 - Kuhn, R. A1 - Krüger, P. A1 - Banhart, J. T1 - In situ synchrotron X-ray radiography investigations of water transport in PEM fuel cells JF - Fuel Cells N2 - Water transport in an operating PEM fuel cell was investigated with synchrotron X-ray radiography with a spatial resolution of 3 µm and a temporal resolution of 5 s. This method allows for the detection of water accumulations with less than 10 µm diameter. We demonstrate that synchrotron X-ray imaging can dramatically expand the possibilities of imaging with high spatial and time resolution, especially as a complement to neutron radiography. Water transport processes from the first appearance of small water accumulations in the gas diffusion layer to their transport into the channel system were analysed in situ. Correlations between local effects such as water formation and operating conditions of the whole system, e.g. power variations, were found. A recently described eruptive water transport mechanism is analysed in detail. KW - Fuel cell KW - Gas diffusion layer KW - Imaging KW - Synchrotron KW - X-ray radiography KW - Two-phase flow KW - Water transport PY - 2010 DO - https://doi.org/10.1002/fuce.200800123 SN - 1615-6846 SN - 1615-6854 VL - 10 IS - 1 SP - 26 EP - 34 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim AN - OPUS4-22730 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Markötter, H. A1 - Manke, I. A1 - Hartnig, C. A1 - Krüger, P. A1 - Wippermann, K. A1 - Arlt, Tobias A1 - Choinka, G. A1 - Riesemeier, Heinrich A1 - Banhart, J. T1 - Hochauflösende Synchrotron-Radiografie JF - MP materials testing KW - PEM Fuel-cells KW - Local current distribution KW - Neutron imaging technique KW - Water transport PY - 2010 SN - 0025-5300 VL - 52 IS - 10 SP - 698 EP - 704 PB - Hanser CY - München AN - OPUS4-23046 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Hartnig, C. A1 - Manke, I. A1 - Schloesser, J. A1 - Krüger, P. A1 - Kuhn, R. A1 - Riesemeier, Heinrich A1 - Wippermann, K. A1 - Banhart, J. T1 - High resolution synchrotron X-ray investigation of carbon dioxide evolution in operating direct methanol fuel cells JF - Electrochemistry communications N2 - The carbon dioxide evolution and bubble formation in an operating fuel has been studied by means of synchrotron X-ray radiography. Two different observation directions have been chosen: a through-plane insight has been employed to track the formation of bubbles starting at the corner of the lands of the flow field; a depth profile of the carbon dioxide evolution has been derived from cross sectional studies describing an affected area of up to 100 µm. The dynamics of the bubble formation and detachment of the bubbles from the position of formation is strongly correlated with the current density. Cracks and breaks in the catalyst layer which result from the preparation process are visible under operating conditions and a possible swelling of the catalyst layer does not reach a complete vanishing of the cracks. KW - DMFC KW - Carbon dioxide evolution KW - Synchrotron radiography KW - In situ study KW - Cross section KW - Through-plane PY - 2009 DO - https://doi.org/10.1016/j.elecom.2009.05.047 SN - 1388-2481 VL - 11 IS - 8 SP - 1559 EP - 1562 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-20577 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Krüger, P. A1 - Markötter, H. A1 - Klages, M. A1 - Haußmann, J. A1 - Arlt, Tobias A1 - Riesemeier, Heinrich A1 - Hartnig, C. A1 - Banhart, J. A1 - Manke, I. A1 - Scholta, J. T1 - Dreidimensionale Untersuchung der Wasserverteilung in einer Miniatur-PEM-Brennstoffzelle JF - MP materials testing KW - Resolution neutron-radiography KW - Local current distribution KW - Cells KW - Quantification PY - 2010 SN - 0025-5300 VL - 52 IS - 10 SP - 712 EP - 717 PB - Hanser CY - München AN - OPUS4-23044 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -