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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.
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 systematic, nature-inspired chemical engineering approach is employed to solve the issue of flooding in electrochemical devices. The mechanism of passive water transport utilized by lizards living in arid environments is leveraged to design flow-fields with a microchannel structure on their surface, through which capillary pressure rapidly removes the water generated in the electrochemical device. This water management strategy is implemented in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with a lunginspired flow-field, which ensures uniform distribution of reactants across the catalyst layer. Jointly, this nature-inspired approach results in flood-free, stable operation at 100% RH and a B60% increase in current (B1.9 A cm-2) and peak power density (B650 mW cm−2) compared to current PEMFCs with a flood-prone, serpentine flow-field (B0.8 A cm-2 and 280 mW cm-2, respectively). This significant advance allows for PEMFC operation at fully humidified conditions.
The mechanical compression of metal foam flow-field based polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) is critical in determining the interfacial contact resistance with gas diffusion layers (GDLs), reactant flow and water management.
The distinct scale between the pore structure of metal foams and the entire flow-field warrant a multilength scale characterization that combines ex-situ tests of compressed metal foam samples and in-operando analysis of operating PEFCs using X-ray computed tomography (CT) and neutron radiography. An optimal ‘medium’ compression was found to deliver a peak power density of 853 mW/cm². The X-ray CT data indicates that the compression process significantly decreases the mean pore size and narrows the pore size distribution of metal foams. Simulation results suggest compressing metal foam increases the pressure drop and gas velocity, improving the convective liquid water removal. This is in agreement with the neutron imaging results that demonstrates an increase in the mass of accumulated liquid water with minimum compression compared to the medium and maximum compression cases. The results show that a balance between Ohmic resistance, water removal capacity and parasitic power is imperative for the optimal performance of metal foam based PEFCs.
Neutron tomography was applied to study the 3D water distribution in full polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stacks. The water distribution after switch-off of the fuel cell was analyzed over a period of 36 h. We found a slowly increasing water amount in the fuel cell, but only few changes within a time period of 5 h, which is about the time necessary for neutron tomography. In this way, the requirement for successful tomography was obtained. It is demonstrated how the quasi in-situ tomography technique enables us to study the water content in individual flow field channels of three-fold stacks. Flow field as well as stack design issues are addressed by this visualization method showing weak points due to a non-uniform water distribution that can be identified by means of neutron imaging.
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.
Tomography data obtained from transmission electron microscopes are especially attractive due to their unrivaled spatial resolution in the nanometer range or even less, but they require enormous efforts in sample preparation and suffer from a diverse accumulation of experimental restrictions, which unavoidably result in fundamental reconstruction artifacts. These restrictions refer to: partial opacity, a limited view (limited angle or missing wedge), very few angles (with respect to the detector size), limited to a region of interest (ROI; due to the sample size), variable angular increments as well as sample degradation due the interactions with the electron beam. An advanced version of the DIRECTT (Direct Iterative Reconstruction of Computed Tomography Trajectories) algorithm proves to cope with most of these severe deviations from ideal CT measuring conditions. However, careful data preprocessing is required in order to exploit the capabilities of the algorithm.
Nanometer sized Ruthenium catalyst particles for fuel cell applications are 3D imaged at a few Ångström resolution in order to estimate their partial free surface on carbon black supports, which rule the efficiency of the catalytic activity.
Comparisons of DIRECTT reconstructions to the conventional filtered back projection, prove the significant improvements.
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.
The 3-dimensional spatial distribution of liquid water in different gas diffusion layer (GDL) materials was analyzed using synchrotron X-ray tomography. The capability of the method was demonstrated by virtually separating the GDL components in order to facilitate individual analysis of fiber material, liquid water and gas filled pore spaces. The influence of hydrophobic surface treatment on the water distribution in the GDL was illustrated by analyzing three GDL materials with different degrees of hydrophobicity. In the least hydrophobic sample, liquid water tends to form larger clusters which stretch out about several hundred µm inside the porous GDL. In contrast, only small water clusters were found in the strongly hydrophobic material with high Polytetrafluoroethylene (PTFE)-content as the liquid is partially pressed out of the GDL. Additionally, the influence of fiber orientation on the water distribution in the felt material was demonstrated.
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.
Tomographische Messungen in Transmissions-Elektronenmikroskopen beziehen ihren Reiz aus der hohen Ortsauflösung im Nanometerbereich. Allerdings bringen sie neben dem hohen Aufwand bei der Probenpräparation auch eine außerordentliche Häufung von Restriktionen der Messung mit sich, die bei Verwendung herkömmlicher Rekonstruktionsalgorithmen zu erheblichen Artefakten führen. Diese Restriktionen betreffen: partielle Nichtdurchstrahlbarkeit, einen eingeschränkten Winkelbereich, wenige Projektionen in Bezug auf die Detektorgröße, Probenabbildungen größer als der Detektor, instabile Rotationsachse, variierende Winkelinkremente sowie Probenveränderungen während der Messung.
Der DIRECTT-Algorithmus (Direkte iterative Rekonstruktion computertomographischer Trajektorien) kann, abgesehen von der Probenveränderung, sämtliche dieser Restriktionen geeignet berücksichtigen. Die auftretenden, teils unvollständigen Bahnen lassen sich mittels einer Treffertabelle und geeigneter Auswahl iterativ behandeln. Außerdem kann das Rekonstruktionsvolumen über die Detektorlänge hinaus erweitert werden.
Damit gelingt eine weitgehende Unterdrückung von Rekonstruktionsartefakten, insbesondere der sonst dominanten Streifenartefakte, und eine deutliche Erhöhung der Ortsauflösung. Die Verbesserung der Rekonstruktionsqualität wird anhand von Modell- und experimentellen Daten gezeigt.
Synchrotron X-ray radiography and tomography investigations of a custom-made polymer electrolyte membrane fuel cell optimised for visualisation purposes are presented. The 3D water distribution and transport pathways in the porous carbon fibre gas diffusion layers (GDLs) were investigated. The authors found that water is not only moving from the GDL into the channel, but can also take the opposite way, that is, from the channel into free pore space of the GDL. Such movement of water into the opposite direction has been subject of speculations but has so far not yet been reported and might bring new insights into the general water transport behaviour, which might give new aspects to the general description of water transport processes and influence modelling assumptions to describe the process taking place in the GDL.
Rocks are commonly very heterogeneous materials. Randomly distributed micro-flaws inside the rock are believed to initiate tensile cracks from which shear fractures develop and coalescence through en echelon interactions leads to fracture. In this paper, we describe the results of applying high-resolution X-ray tomography to samples of greywacke and limestone experimentally deformed under unconfined axial shortening at various loads equivalent to different fractions of the sample strength. Mineral grains, pores, micro-cracks and other voids were imaged with a resolution of 10 µm. 3D image analysis enabled us to monitor the initial state of the samples and the changes in them due to compression. Crack morphology is characterized and compared to the micro-structure of the sample before and after deformation. In the greywacke, formation of a macro-crack ~10° oblique to the stress direction is observed. It initiated in fine intergranular material at the top tip of the sample and is composed of tensile fractures connected by wing cracks. None of the voids defined in the initial state fractured, and the crack is interpreted to have started either as a micro-crack which was smaller than the resolution of the tomography, or, as a completely new crack. In the limestone, cracks are observed to initiate in features that are too small to be imaged by the tomography, or also in newly created cracks.
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.