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Water in gas diffusion layers of PEM fuel cells - a combined experimental and theoretical study
(2008)
In-situ-Neutronenradiografie wird erfolgreich eingesetzt, um flüssiges Wasser in Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen während des Betriebs zerstörungsfrei abzubilden und das sogenannte Wassermanagement eine der größten Herausforderungen der Entwicklung durch Anpassung der Materialeigenschaften zu optimieren. Dabei werden die besonderen Eigenschaften der Neutronen genutzt, die metallische Bauteile relativ leicht durchdringen, während selbst kleine Wassermengen durch ihre starke Streuung leicht nachweisbar sind. Die relativ langen Messzeiten für die Neutronentomografie werden durch den Betrieb der Zelle im angehaltenen Zustand realisierbar, sodass die dreidimensionale Wasserverteilung darstellbar wird.
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.
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.
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.
Neutron tomography was applied to study the 3D water distribution in full polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stacks. The water distribution after switch-off of the fuel cell was analyzed over a period of 36 h. We found a slowly increasing water amount in the fuel cell, but only few changes within a time period of 5 h, which is about the time necessary for neutron tomography. In this way, the requirement for successful tomography was obtained. It is demonstrated how the quasi in-situ tomography technique enables us to study the water content in individual flow field channels of three-fold stacks. Flow field as well as stack design issues are addressed by this visualization method showing weak points due to a non-uniform water distribution that can be identified by means of neutron imaging.
The 3-dimensional spatial distribution of liquid water in different gas diffusion layer (GDL) materials was analyzed using synchrotron X-ray tomography. The capability of the method was demonstrated by virtually separating the GDL components in order to facilitate individual analysis of fiber material, liquid water and gas filled pore spaces. The influence of hydrophobic surface treatment on the water distribution in the GDL was illustrated by analyzing three GDL materials with different degrees of hydrophobicity. In the least hydrophobic sample, liquid water tends to form larger clusters which stretch out about several hundred µm inside the porous GDL. In contrast, only small water clusters were found in the strongly hydrophobic material with high Polytetrafluoroethylene (PTFE)-content as the liquid is partially pressed out of the GDL. Additionally, the influence of fiber orientation on the water distribution in the felt material was demonstrated.
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.
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.