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Organisationseinheit der BAM
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.
The ability to track electrode degradation, both spatially and temporally, is fundamental to understand performance loss during operation of lithium batteries. X-ray computed tomography can be used to follow structural and morphological changes in electrodes; however, the direct detection of electrochemical processes related to metallic lithium is difficult due to the low sensitivity to the element. In this work, 4-dimensional neutron computed tomography, which shows high contrast for lithium, is used to directly quantify the lithium diffusion process in spirally wound Li/SOCl2 primary cells. The neutron dataset enables the quantification of the lithium transport from the anode and the accumulation inside the SOCl2 cathode to be locally resolved. Complementarity between the collected neutron and X-ray computed tomographies is shown and by applying both methods in concert we have observed lithium diffusion blocking by the LiCl protection layer and identified all cell components which are difficult to distinguish using one of the methods alone.
Als Alternative zur Neutronentomographie wird das Potenzial der Computertomographie (CT) mit inkohärenter Röntgen-Streustrahlung (Compton-Streuung) untersucht. Die gleichzeitige Abbildung von Materialien sehr unterschiedlicher Dichten (Ordnungszahlen) ist eine wiederkehrende Herausforderung für die Radiologie und die Computertomographie mit Röntgenstrahlung. Die Messungen ergeben asymmetrische Projektionsprofile für Sinogramme der Streuintensität. Am Beispiel verschiedener Polymere (Polyethylen, Polyamid, PVC), Glas und Holz wird in den Tomogrammen ein hochaufgelöster 'Comptonkontrast' vergleichbarer Dynamik erreicht, während der simultan gemessene 'Absorptionskontrast' ausschließlich die starken Absorber (Glas und PVC) zeigt. Der Vergleich mit ähnlich auflösender Neutronentomographie zeigt ähnliche Kontraste und eröffnet mithin die Möglichkeit, diese künftig durch Compton-Tomographie im Labormaßstab zu ersetzen.
Metastable austenitic stainless steel (304L) samples with a rectangular cross-section were plastically deformed in torsion during which they experienced multiaxial stresses that led to a complex martensitic phase distribution owing to the transformation induced plasticity effect. A three-dimensional characterization of the phase distributions in these cm-sized samples was carried out by wavelength-selective neutron tomography. It was found that quantitatively correct results are obtained as long as the samples do not exhibit any considerable preferential grain orientation. Optical microscopy, electron backscatter diffraction, and finite element modeling were used to verify and explain the results obtained by neutron tomography. Altogether, neutron tomography was shown to extend the range of microstructure characterization methods towards the meso- and macroscale.
This study was carried out to investigate the neutron transmission signal as a function of sample temperature during a welding process. A theoretical description that includes the Debye-Waller factor was used to describe the temperature influence on the neutron crosssections. Neutron imaging using a monochromatic beam helps to observe transmission variations related to the material temperature. In-situ neutron imaging of welding experiments show the distribution of the temperature in bulk steel samples. The performed finite element modelling of expected temperature distributions shows good agreement with the obtained experimental data.
A systematic, nature-inspired chemical engineering approach is employed to solve the issue of flooding in electrochemical devices. The mechanism of passive water transport utilized by lizards living in arid environments is leveraged to design flow-fields with a microchannel structure on their surface, through which capillary pressure rapidly removes the water generated in the electrochemical device. This water management strategy is implemented in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with a lunginspired flow-field, which ensures uniform distribution of reactants across the catalyst layer. Jointly, this nature-inspired approach results in flood-free, stable operation at 100% RH and a B60% increase in current (B1.9 A cm-2) and peak power density (B650 mW cm−2) compared to current PEMFCs with a flood-prone, serpentine flow-field (B0.8 A cm-2 and 280 mW cm-2, respectively). This significant advance allows for PEMFC operation at fully humidified conditions.