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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.
Die Aufklärung spezifischer Fragestellungen zur Funktionalität von PEM(polymer electrolyte membrane)- und DMFC(Direct Methanol)-Brennstoffzellen bedarf der 3D-Abbildung der spezifischen Komponenten mit unterschiedlichen Strahlungsarten: des Wassergehalts in den Flow Fields mit Neutronen, der Katalysator-Alterung in der MEA (membrane electrode assembly) mit Synchrotronstrahlung und der freien (reaktiven) Katalysator-Oberfläche von Nano-Partikeln mit TEM-Elektronen-Tomografie. Diese Messungen im Bereich der mm- bis nm-Skala unterliegen dabei erheblichen Restriktionen: einer ortsabhängigen Verschmierung der Neutronenradiogramme, Manipulatorinstabilitäten der Synchrotronmessungen sowie einer Kombination von Limited-View-Datensätzen, wenigen Projektionswinkeln und teilweiser Nichtdurchstrahlbarkeit in der Elektronen-CT. Die Vorteile eines fortentwickelten Directt-Algorithmus für die Bewältigung dieser Randbedingungen gegenüber gefilterten Rückprojektionen werden aufgezeigt.
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.
Die Computer-gestützte Laminografie (CL) wurde als komplementäre Methode zur Computertomografie für die dreidimensionale Bildgebung von lateral ausgedehnten Objekten entwickelt. Ursprünglich für medizinische Zwecke verwendet, wurde diese Methode kürzlich als zerstörungsfreie nicht-invasive Methode nicht nur in der Materialforschung, sondern auch mit steigendem Interesse für kunsthandwerkliche und historische Objekte eingesetzt. Hier wird die Computer-gestützten Laminografie mit polychromatischer Neutronenstrahlung an einer historischen Tsuba eingesetzt, einem Stichblatt eines japanischen Schwerts. Eine Analyse der Lötstellen gibt Rückschlüsse auf das Herstellungsverfahren. Zudem wurden unterschiedliche Materialsysteme gefunden, vermutlich um dem Tsuba lokal eine höhere Stabilität zu verleihen. Die Messungen wurden an der Imaging-Beamline CONRAD-2 an der Neutronenquelle BER 2 des Helmholtz-Zentrums Berlins (HZB) durchgeführt.
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.
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.
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.