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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
Influence of artificial aging of gas diffusion layers on the water management of PEM fuel cells
(2014)
The influence of artificial aging of gas diffusion layers (GDL) on the water management within the GDL was investigated in-operando by synchrotron X-ray radiography. One GDL was subjected to an accelerated aging procedure in 30% H2O2 solution, while another GDL was pristine. Radiographic measurements were combined with temporally resolved electrical analyzes. Significant differences in cell voltage and water accumulation were observed during cell operation at steady-state conditions. The cell which contained the aged GDL featured a higher water amount especially at the anode side and a lower cell voltage.
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.
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.
We present transmission electron microscope (TEM) tomography investigations of ruthenium-based fuel cell catalyst materials as employed in direct methanol fuel cells (DMFC). The digital three-dimensional representation of the samples not only enables detailed studies on number, size, and shape but also on the local orientation of the ruthenium particles to their support and their freely accessible surface area. The shape analysis shows the ruthenium particles deviate significantly from spherical symmetry which increases their surface to volume ratio. The morphological studies help to understand the structure formation mechanisms during the fabrication as well as the high effectiveness of these catalysts in the oxygen reduction reaction at the cathode side of fuel cells.
We present transmission electron microscope (TEM) tomography investigations of ruthenium-based fuel cell catalyst materials as employed in direct methanol fuel cells (DMFC). The digital three-dimensional representation of the samples not only enables detailed studies on number, size, and shape but also on the local orientation of the ruthenium particles to their support and their freely accessible surface area. The shape analysis shows the ruthenium particles deviate significantly from spherical symmetry which increases their surface to volume ratio. The morphological studies help to understand the structure formation mechanisms during the fabrication as well as the high effectiveness of these catalysts in the oxygen reduction reaction at the cathode side of fuel cells.
The carbon dioxide evolution and bubble formation in an operating fuel has been studied by means of synchrotron X-ray radiography. Two different observation directions have been chosen: a through-plane insight has been employed to track the formation of bubbles starting at the corner of the lands of the flow field; a depth profile of the carbon dioxide evolution has been derived from cross sectional studies describing an affected area of up to 100 µm. The dynamics of the bubble formation and detachment of the bubbles from the position of formation is strongly correlated with the current density. Cracks and breaks in the catalyst layer which result from the preparation process are visible under operating conditions and a possible swelling of the catalyst layer does not reach a complete vanishing of the cracks.