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In contrast to classical low temperature polymer electrolyte fuel cells (LT-PEFCs), the membrane conductivity in high temperature polymer electrolyte fuel cells (HT-PEFCs) (operating temperature ~ 160 °C) is based on proton transport within phosphorus-oxygen acids at different levels of hydration, orthophosphoric acid (H3PO4) being the simplest example. We present for the first time in-situ synchrotron X-ray radiography measurements applied to a HT-PEFC to gain insight into the local composition of the membrane electrode assembly (MEA) under dynamic operating conditions. Transmission changes during the radiographic measurements exhibit a clear influence of the formation of product water on the membrane composition.
The three-dimensional water distribution and water transport paths in the gas diffusion layer (GDL) and the adjacent micro-porous layer (MPL) of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) were analyzed during cell operation. The technique of quasi in-situ X-ray tomography was used for a 3D visualization of the water distribution and the structure of the GDL at different operating conditions. Based on findings from in-situ radiographic measurements water transport paths were detected and subsequently examined by tomography. The combination of these 2D and 3D techniques allows for a fully three-dimensionally resolved visualization of transport paths through the GDL.
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.
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.