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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
Charakterisierung von Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen mittels Elektronentomografie
(2010)
Zur Optimierung moderner Katalysatoren für Brennstoffzellen werden diese elektronen-tomografisch charakterisiert. Die Elektronentomografie ermöglicht einzigartige Einblicke in die Nanometer-Strukturen der metallischen Katalysatorpartikel, die auf einem elektrisch leitenden, inerten Kohlenstoffträger abgeschieden werden. Die dreidimensional bildgebende Methode ermöglicht über qualitative Untersuchungen hinaus detaillierte quantitative Form- und Strukturanalysen der Katalysatormaterialien. So werden beispielsweise die Positionen der Katalysatorpartikel relativ zum Trägermaterial analysiert. Ihre Form und Einbettung in den Träger, welche die für die katalytische Reaktion maßgebliche "freie Oberfläche" definieren, werden bestimmt. Die Elektronentomografie ermöglicht somit quantitative Vergleiche zwischen verschiedenen Katalysatormaterialien und Herstellungsverfahren. Sie erweitert die Möglichkeiten der Korrelation gewünschter elektrochemischer Eigenschaften mit der Nanostruktur dieser Materialien und macht so weitere Optimierungen der Katalysatormaterialien möglich.
We present a synchrotron X-ray tomographic study on the morphology of carbon fiber-based gas diffusion layer (GDL) material under compression. A dedicated compression device is used to provide well-defined compression conditions. A flat compression punch is employed to study the fiber geometry at different degrees of compression. Transport relevant geometrical parameters such as porosity, pore size and tortuosity distributions are calculated. The geometric properties notably change upon compression which has direct impact on transport conditions for gas and fluid flow. The availability of broad 3D paths, which are most important for the transport of liquid water from the catalyst layer through the GDL, is markedly reduced after compression. In a second experiment, we study the influence of the channel-land-pattern of the flow-field on shape and microstructure of the GDL. A flow-field compression punch is employed to reproduce the inhomogeneous compression conditions found during fuel cell assembly. While homogenously compressed underneath the land the GDL is much less and inhomogeneously compressed under the channel. The GDL material extends far into the channel volume where it can considerably influence gas and fluid flow. Loose fiber endings penetrate deeply into the channel and form obstacles for the discharge of liquid water droplets.
While X-ray based darkfield imaging with grating interferometers is already widely used, darkfield imaging with neutrons has still a relatively small user community focused mostly on magnetic materials. Here, we demonstrate the application of neutron darkfield imaging byTalbot-Lau type grating interferometry to fiber reinforced plastics. Common carbon and glass fiber composites have been investigated including characteristic damage structures. The darkfield images show a strong signal response caused by fiber delamination, suitable fiber direction, particles, pores and cracks. The basic principles of neutron darkfield imaging applied to fiber composites are highlighted.
Carbon fiber based felt materials are widely used as gas diffusion layer (GDL) in fuel cells. Their transport properties can be adjusted by adding hydrophobic agents such as polytetrafluoroethylene (PTFE). We present a synchrotron X-ray tomographic study on the felt material Freudenberg H2315 with different PTFE finishing. In this study, we analyze changes in microstructure and shape of GDLs at increasing degree of compression which are related to their specific PTFE load. A dedicated compression device mimicking the channel-land pattern of the flowfield is used to reproduce the inhomogeneous compression found in a fuel cell. Transport relevant geometrical parameters such as porosity, pore size distribution and geometric tortuosity are calculated and consequences for media transport discussed. PTFE finishing results in a marked change of shape of compressed GDLs: surface is smoothed and the invasion of GDL fibers into the flow field channel strongly mitigated. Furthermore, the PTFE impacts the microstructure of the compressed GDL. The number of available wide transport paths is significantly increased as compared to the untreated material. These changes improve the transport capacity liquid water through the GDL and promote the discharge of liquid water droplets from the cell.
Typische 'Missing Wedge'(MW)-Artefakte in Rekonstruktionen der Computertomografie können mit dem iterativen DIRECTT-Algorithmus (Direkte iterative Rekonstruktion computertomografischer Trajektorien) unterdrückt werden. Die durch fehlende Projektionswinkel bedingten MW-Restriktionen betreffen bisher nur Sonderapplikationen der Röntgen- und Neutronentomografie, müssen in der Nanometer auflösenden Elektronentomografie jedoch als Standard akzeptiert werden. Die MW-Artefakte werden besonders effektiv mit einer spezifischen DIRECTT-Prozedur partiell diskreter Zwischenlösungen beseitigt. Für die Beurteilung der Abbildungsqualität werden Rekonstruktionen von vollständigen und unvollständigen Mess- und Modell-Datensätzen erzeugt und mit Ergebnissen anderer Algorithmen (gefilterte Rückprojektion (FBP) und ART-Methoden) verglichen. Die Fourier-Transformierten der Rekonstruktionen demonstrieren die erfolgreiche Ergänzung der fehlenden Information im MW-Bereich. Die quantitative Bewertung der lokalen Rekonstruktionsqualität mit Methoden der räumlichen Statistik ergibt auch für unterschiedliche Signal-Rausch-Verhältnisse signifikante Vorteile gegenüber FBP und ART.
X-ray compton tomography
(2014)
The potentials of incoherent X-ray Scattering (Compton) tomography are investigated. Imaging materials of very different density or atomic number at once is a perpetual challenge for X-ray tomography or radiography, in general. In a basic laboratory set-up for simultaneous perpendicular Compton Scattering and direct beam attenuation tomographic scans are conducted by single channel photon counting. This results in asymmetric distortions of the projection profiles of the scattering CT-data set. ln a first approach corrections of Compton scattering data by taking advantage of rotational symmetry yield tomograms without major geometric artefacts.
A cylindrical sample composed of PE, PA, PVC, glass and wood demonstrates similar Compton contrast for all the substances, while the conventional absorption tomogram only reveals the two high order materials.
Compärison to neutron tomography reveals astonishing similarities except for the glass component (without hydrogen). Therefore, Compton CT bears the potential to replace neutron tomography, which requires much more efforts.
Magnetic domains have been the subject of much scientific investigation since their theoretical existence was first postulated by P.-E. Weiss over a century ago. Up to now, the three-dimensional (3D) domain structure of bulk magnets has never been observed owing to the lack of appropriate experimental methods. Domain analysis in bulk matter thus remains one of the most challenging tasks in research on magnetic materials. All current domain observation methods are limited to studying surface domains or thin magnetic films. As the properties of magnetic materials are strongly affected by their domain structure, the development of a technique capable of investigating the shape, size and distribution of individual domains in three dimensions is of great importance. Here, we show that the novel technique of Talbot-Lau neutron tomography with inverted geometry enables direct imaging of the 3D network of magnetic domains within the bulk of FeSi crystals.
This paper gives a brief overview on3D imaging of magnetic domains with shearing grating neutron tomography. We investigated the three-dimensional distribution of magnetic domain walls in the bulk of a wedge-shaped FeSi single crystal. The width of the magnetic domains wasanalyzed at different locations within the crystal. Magnetic domains close to the tip of the wedge are much smaller than in the bulk. Furthermore, the three-dimensional shape of individual domains wasinvestigated. We discuss prospects and limitations of the applied measurement technique.