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In this investigation, synchrotron X-ray imaging was used to investigate the water distribution inside newly developed gas diffusion media in polymer electrolyte membrane fuel cells. In-situ radiography was used to reveal the relationship between the structure of the microporous layer (MPL) and the water flow in a newly developed MPL equipped with randomly arranged holes. A strong influence of these holes on the overall water transport was found. This contribution provides a brief overview to some of our recent activities on this research field.
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 has been applied to investigate the mechanism of hydrogen assisted cracking in technical iron and supermartensitic steel. Rectangular technical iron block samples showed blistering due to intense hydrogen charging and the tomographic method revealed in situ the spatial distribution of hydrogen and cracks. Hydrogen accumulated in a small region around cracks and the cracks are filled with hydrogen gas. Cracks close to the surface contained no hydrogen. Hydrogenous tensile test samples of supermartensitic steel were pulled until rupture and showed hydrogen accumulations at the notch base and in the plastically deformed region around the fracture surface.
We investigated hydrogen embrittlement and blistering in electrochemically hydrogen-charged technical iron samples at room temperature. Hydrogen-stimulated cracks and blisters and the corresponding hydrogen distributions were observed by neutron tomography. Cold neutrons were provided by the research reactor BER II to picture the sample with a spatial resolution in the reconstructed three-dimensional model of ~25 µm. We made the unique observation that cracks were filled with molecular hydrogen and that cracks were surrounded by a 50 µm wide zone with a high hydrogen concentration. The zone contains up to ten times more hydrogen than the bulk material. The hydrogen enriched zone can be ascribed to a region of increased local defect density. Hydrogen also accumulated at the sample surface having the highest concentration at blistered areas. The surfaces of the brittle fractured cracks showed micropores visualized by scanning electron microscopy. The micropores were located at grain boundaries and were surrounded by stress fields detected by electron backscattered diffraction. The cracks clearly originated from the micropores.
We investigated the hydrogen distribution spatially and temporally in technical iron at room temperature. Samples were charged electrochemically and subsequently analysed by means of neutron radiography and tomography. The radiographic images allowed for a time-resolved analysis of hydrogen fluxes. The three-dimensional distribution of hydrogen measured by neutron tomography delivered valuable information for the damage analysis of hydrogen-induced cracks. For the first time hydrogen concentration gradients inside the material could be detect directly together with the cracks. The neutron radiography and tomography results were gained at the Research Reactor BER II of the HZB in Berlin.
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.
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.
CONRAD-2 is an imaging instrument using low-energy (cold) neutrons. The instrument is installed at the end of a curved neutron guide which avoids the direct line of sight towards the reactor core. This ensures a very low background of high-energy neutrons and. photons at the sample position. The cold neutron beam provides a wavelength range which is suitable for phase-and diffraction-contrast imaging such as grating interferometry and Bragg edge mapping. The instrument is well suited for high resolution imaging due to the high efficiency of the very thin scintillators that can be used for the detection of cold neutrons. An instrument upgrade was performed recently as a part of an upgrade program for the cold neutron instrumentation at HZB. The parameters of the instrument as well as some research highlights will be presented.