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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.
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.
Investigation of fuel cell materials and liquid water transport by means of synchrotron imaging
(2013)
Synchrotron imaging allows addressing various important issues in fuel cell research, for example water distribution and transport. The water distribution in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) was observed quasi in-situ directly after operation by means of synchrotron tomography. The 3D data set was compared with the tomogram of a dry cell in order to separate the water distribution from cell materials. Engineered transport pathways realized by perforating holes through the gas diffusion layer (GDL) are a recent approach to optimize water transport and cell performance. For some parameter sets a cell performance increase and an improvement of stabilization have already been proven. We present high resolution investigations of the water distribution in perforated GDLs of operating PEMFCs by means of in-situ synchrotron radiography. The surrounding areas of the holes exhibited a distinct hydrophilic character.
Water evolution in the gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell was visualized in situ by means of synchrotron X-ray radiography. Cracks in the microporous layer were identified as start points of efficient liquid water transfer paths through the gas diffusion layer. Quantitative analysis of the water flow rate through those arbitrarily distributed cracks into the gas channel revealed that they have a strong influence on the overall liquid water transport. This could find entry into future material design and simulation.