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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.
Synchrotron X-ray radiography and tomography investigations of a custom-made polymer electrolyte membrane fuel cell optimised for visualisation purposes are presented. The 3D water distribution and transport pathways in the porous carbon fibre gas diffusion layers (GDLs) were investigated. The authors found that water is not only moving from the GDL into the channel, but can also take the opposite way, that is, from the channel into free pore space of the GDL. Such movement of water into the opposite direction has been subject of speculations but has so far not yet been reported and might bring new insights into the general water transport behaviour, which might give new aspects to the general description of water transport processes and influence modelling assumptions to describe the process taking place in the GDL.
Investigation of fuel cell materials and liquid water transport by means of synchrotron imaging
(2013)
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.