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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.
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.
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.
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.