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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.
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.
Charakterisierung von Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen mittels Elektronentomografie
(2010)
Zur Optimierung moderner Katalysatoren für Brennstoffzellen werden diese elektronen-tomografisch charakterisiert. Die Elektronentomografie ermöglicht einzigartige Einblicke in die Nanometer-Strukturen der metallischen Katalysatorpartikel, die auf einem elektrisch leitenden, inerten Kohlenstoffträger abgeschieden werden. Die dreidimensional bildgebende Methode ermöglicht über qualitative Untersuchungen hinaus detaillierte quantitative Form- und Strukturanalysen der Katalysatormaterialien. So werden beispielsweise die Positionen der Katalysatorpartikel relativ zum Trägermaterial analysiert. Ihre Form und Einbettung in den Träger, welche die für die katalytische Reaktion maßgebliche "freie Oberfläche" definieren, werden bestimmt. Die Elektronentomografie ermöglicht somit quantitative Vergleiche zwischen verschiedenen Katalysatormaterialien und Herstellungsverfahren. Sie erweitert die Möglichkeiten der Korrelation gewünschter elektrochemischer Eigenschaften mit der Nanostruktur dieser Materialien und macht so weitere Optimierungen der Katalysatormaterialien möglich.
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.
Perforated gas diffusion layers (GDLs) of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) were investigated by means of in-situ synchrotron X-ray radiography during operation. We found a strong influence of perforations on the water distribution and transport in the investigated Toray TGP-H-090 GDL. The water occurs mainly around the perforations, while the holes themselves show varying water distributions. Some remain dry, while most of them fill up with liquid water after a certain period or might serve as drainage volume for effective water transport.
Synchrotron X-ray absorption edge imaging with high energy resolution was applied to study aging of fuel cell catalyst materials. The combination of an imaging and a high X-ray energy resolution set-up allows acquiring spatially resolved XAS (XANES and EXAFS) spectra. We analyzed the two-dimensional distribution of Pt and Ru in fresh and aged fuel cell catalysts. Spatially resolved XAS images were taken at the RuK edge and at the PtL3 edge. Taking radiographs above and below the absorption edges provides quantitative information about the thickness of the catalytic materials and additional chemical information. A strong influence of the flow field channels and the structure of the gas diffusion layers on the thicknesses of the catalytic elements were found: a thinner catalyst layer was found below the ribs of the flow field geometries as well as under crossing points of fiber bundles of the woven gas diffusion layers.
We present a synchrotron X-ray tomographic study on the morphology of carbon fiber-based gas diffusion layer (GDL) material under compression. A dedicated compression device is used to provide well-defined compression conditions. A flat compression punch is employed to study the fiber geometry at different degrees of compression. Transport relevant geometrical parameters such as porosity, pore size and tortuosity distributions are calculated. The geometric properties notably change upon compression which has direct impact on transport conditions for gas and fluid flow. The availability of broad 3D paths, which are most important for the transport of liquid water from the catalyst layer through the GDL, is markedly reduced after compression. In a second experiment, we study the influence of the channel-land-pattern of the flow-field on shape and microstructure of the GDL. A flow-field compression punch is employed to reproduce the inhomogeneous compression conditions found during fuel cell assembly. While homogenously compressed underneath the land the GDL is much less and inhomogeneously compressed under the channel. The GDL material extends far into the channel volume where it can considerably influence gas and fluid flow. Loose fiber endings penetrate deeply into the channel and form obstacles for the discharge of liquid water droplets.
Metal-based gas diffusion electrodes are utilized in chlor-alkali electrolysis or electrochemical reduction of carbon dioxide, allowing the reaction to proceed at high current densities. In contrast to planar electrodes and predominantly 2D designs, the industrially required high current densities can be achieved by intense contact between the gas and liquid phase with the catalytically active surfaces. An essential asset for the knowledge-based design of tailored electrodes is therefore in-depth information on electrolyte distribution and intrusion into the electrode’s porous structure. Lab-based and synchrotron radiography allow for monitoring this process operando. Herein, we describe the development of a cell design that can be modularly adapted and successfully used to monitor both the oxygen reduction reaction and the electrochemical reduction of CO2 as exemplary and currently very relevant examples of gas-liquid reactions by only minor modifications to the cell set-up. With the reported cell design, we were able to observe the electrolyte distribution within the gas diffusion electrode during cell operation in realistic
conditions.