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Neutron tomography was applied to study the 3D water distribution in full polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stacks. The water distribution after switch-off of the fuel cell was analyzed over a period of 36 h. We found a slowly increasing water amount in the fuel cell, but only few changes within a time period of 5 h, which is about the time necessary for neutron tomography. In this way, the requirement for successful tomography was obtained. It is demonstrated how the quasi in-situ tomography technique enables us to study the water content in individual flow field channels of three-fold stacks. Flow field as well as stack design issues are addressed by this visualization method showing weak points due to a non-uniform water distribution that can be identified by means of neutron imaging.
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.
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.
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.
Water transport in an operating PEM fuel cell was investigated with synchrotron X-ray radiography with a spatial resolution of 3 µm and a temporal resolution of 5 s. This method allows for the detection of water accumulations with less than 10 µm diameter. We demonstrate that synchrotron X-ray imaging can dramatically expand the possibilities of imaging with high spatial and time resolution, especially as a complement to neutron radiography. Water transport processes from the first appearance of small water accumulations in the gas diffusion layer to their transport into the channel system were analysed in situ. Correlations between local effects such as water formation and operating conditions of the whole system, e.g. power variations, were found. A recently described eruptive water transport mechanism is analysed in detail.
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.
A new high-resolution detector setup for neutron imaging has been developed based on infinity-corrected optics with high light collection, combined with customized mounting hardware. The system can easily be installed, handled and fitted to any existing facility, avoiding the necessity of complex optical systems or further improved electronics (CCD). This is the first time optical magnification higher than 1:1 has been used with scintillator-based neutron detectors, as well as the first implementation of infinity corrected optics for neutron imaging, achieving the smallest yet reported effective pixel size of 3.375 µm. A novel transparent crystal scintillator (GGG crystal) has been implemented with neutrons for the first time to overcome limitations of traditional powder scintillators (Li6/ZnS, Gadox). The standardized procedure for resolution measurements with the Modulation Transfer Function (MTF) is summarized to facilitate comparison between instruments and facilities. Using this new detector setup, a resolution of 14.8 µm with a field of view of 6 mm × 6 mm has been achieved while maintaining reasonable count times. These advances open a wide range of new possible research applications and allow the potential for additional future developments.
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.
In recent years, low-temperature polymer electrolyte fuel cells have become an increasingly important pillar in a zero-carbon strategy for curbing climate change, with their potential to power multiscale stationary and mobile applications. The performance improvement is a particular focus of research and engineering roadmaps, with water management being one of the major areas of interest for development. Appropriate characterisation tools for mapping the evolution, motion and removal of water are of high importance to tackle shortcomings.
This article demonstrates the development of a 4D high-speed neutron imaging technique, which enables a quantitative analysis of the local water evolution. 4D visualisation allows the time-resolved studies of droplet formation in the flow fields and water quantification in various cell parts. Performance parameters for water management are identified that offer a method of cell classification, which will, in turn, support computer modelling and the engineering of next-generation flow field designs.
The mechanical compression of metal foam flow-field based polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) is critical in determining the interfacial contact resistance with gas diffusion layers (GDLs), reactant flow and water management.
The distinct scale between the pore structure of metal foams and the entire flow-field warrant a multilength scale characterization that combines ex-situ tests of compressed metal foam samples and in-operando analysis of operating PEFCs using X-ray computed tomography (CT) and neutron radiography. An optimal ‘medium’ compression was found to deliver a peak power density of 853 mW/cm². The X-ray CT data indicates that the compression process significantly decreases the mean pore size and narrows the pore size distribution of metal foams. Simulation results suggest compressing metal foam increases the pressure drop and gas velocity, improving the convective liquid water removal. This is in agreement with the neutron imaging results that demonstrates an increase in the mass of accumulated liquid water with minimum compression compared to the medium and maximum compression cases. The results show that a balance between Ohmic resistance, water removal capacity and parasitic power is imperative for the optimal performance of metal foam based PEFCs.