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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 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.
Synchrotron X-ray absorption edge imaging was used to investigate the ruthenium distribution in both fresh and aged Pt/Ru-based membrane electrode assemblies (MEA) of direct methanol fuel cells. MEAs aged in different ways were analyzed: artificially aged by MeOH depletion and aged for 1700 h in an operating fuel cell stack. An element sensitive tomographic technique – differential X-ray absorption edge tomography – was applied allowing for a 3D-visualization of the ruthenium distribution within the MEA. We found a markedly changed Ru distribution after aging which is correlated to the GDL structure, the flow field geometry, and CO2 transport in the methanol solution.
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.
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.
CT (computed tomography) reconstructions of fuel cell components of a yet unrivaled spatial resolution and quality are presented. This is achieved by application of the novel DIRECTT (Direct Iterative Reconstruction of Computed Tomography Trajectories) algorithm. We focus on two different key issues which essentially rule the fuel cell's durability on different length scales and physical interactions. On the resolution scale of some 100 µm agglomerations of condensed water in flow-field channels are detected by means of quasi-in situ neutron CT (after operation). Five orders of magnitude below nanometer sized Ru catalyst particles on carbon black support are visualized by electron tomography. Both types of experiments are especially adapted to the type of material involved but they are accompanied by severe deviations from ideal CT measuring conditions, as well. In order to overcome the tremendous reconstruction artifacts of standard algorithms, we employ DIRECTT which is described in detail. Comparisons of DIRECTT reconstructions to the conventional filtered back projection, prove the significant improvements in both experimental methods.