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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.
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.
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.