Design of In-Situ Experimentation for the Study of Fuel Cells with X-rays and Neutrons
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Ditty Dixon
, Alexander Schröder , Alexander Schökel , Matthias Söhn Darmstadt , Ingo Manke , Nikolay Kardjilov , Tilman Sanders , Volker Loos , Gregor Hoogers , Klaus Wippermann , Detlef Stolten and Christina Roth
Abstract
In situ neutron and X-ray measurements are of essential importance for the rational design of tailor-made catalysts and cell components, in particular when they can be performed with spatial resolution. Neutron radiography allows the investigation of the local fluid distribution in direct methanol fuel cells (DMFCs) under operating conditions with spatial resolutions in the order of some tens of micrometers. In the through-plane mode, an overview of the local water and gas distribution in the flow field channels is obtained, while the in-plane mode provides information on spatially and time resolved fluid distribution across the cell, hydration/dehydration processes and water distribution across the walls of flow field channels. Combined studies of high resolution neutron radiography and segmented cell measurements are especially valuable, because they enable a correlation of the local fluid distribution and local performance. This knowledge is essential in order to optimise water management and performance and to establish a homogeneous fluid, current and temperature distribution in order to achieve high performance and durability of DMFCs. While the neutron studies focus on the cell components, additional information about the catalyst performance and stability is obtained by in situ X-ray absorption spectroscopy (XAS), thus nicely complementing the neutron measurements. Particle size and particle composition as well as degradation processes by oxidation, de-alloying, and particle growth can be probed with spatial resolution during operation. However, both for neutron and X-ray investigations dedicated cell and experiment design are crucial for the success of the measurements.
Kurzfassung
In-situ Röntgen- und Neutronenmessungen sind von essentieller Bedeutung für ein rationales Design maßgeschneiderter Katalysatoren und Zellkomponenten, insbesondere wenn sie mit hoher Ortsauflösung durchgeführt werden können. Mittels Neutronenradiographie lässt sich die lokale Flüssigkeitsverteilung in Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) unter Einsatzbedingungen mit einer Ortsauflösung in der Größenordnung von wenigen Mikrometern ermitteln. Im through-plane Modus kann eine Übersicht über die lokale Wasser- und Gasverteilung in den Gasverteilerstrukturen erhalten werden, während der in-plane Modus Aufschluss über die orts- und zeitaufgelöste Flüssigkeitsverteilung über die gesamte Zelle, Hydratations- und Dehydratationsprozesse sowie die Wasserverteilung über die Wände der Gasverteilerkanäle gibt. Die Kombination von hochauflösender Neutronenradiographie mit segmentierten Zellmessungen ist besonders wertvoll, weil diese die Korrelation der lokalen Flüssigphasenverteilung mit der lokalen Performance ermöglicht. Diese Kenntnisse sind essentiell, um Wassermanagement und Leistung der Zelle zu optimieren und eine homogene Fluss-, Strom- und Temperaturverteilung einzustellen, mittels derer die hohe Performance und Langzeitstabilität in DMFCs gesichert werden können. Während der Schwerpunkt der Neutronenmessungen auf den Zellkomponenten liegt, können zusätzliche Informationen über die Katalysatoraktivität und -stabilität aus in-situ Röntgenabsorptionsmessungen gewonnen werden, welche die Neutronenmessungen sinnvoll ergänzen. Partikelgröße und Partikelzusammensetzung sowie Alterungsphänomene, wie Oxidation, Leaching und Partikelwachstum, können ortsaufgelöst während des Betriebs verfolgt werden. Jedoch sind sowohl für Neutronenmessungen als auch für Röntgenabsorptionsuntersuchungen ein dezidiertes Zell- und Experimentdesign von zentraler Bedeutung für den Erfolg der Messungen.
References
1 C.Roth, N.Martz, H.Fuess: Phys. Chem. Chem. Phys.3 (2001), S. 315.Search in Google Scholar
2 A. S.Arico, P.Creti, H.Kim, R.Mantegna, N.Giordano, V.Antonucci: J. Electrochem. Soc.143 (1996), S. 3950.10.1149/1.1837321Search in Google Scholar
3 J.Antolini: Mater. Chem. Phys.78 (2003), S. 563.10.1016/S0254-0584(02)00389-9Search in Google Scholar
4 V.Radmilovic, H. A.Gasteiger, P. N.Ross: J. Catal.154 (1995), S. 98.10.1006/jcat.1995.1151Search in Google Scholar
5 P. L.Hansen, J. B.Wagner, S.Helveg, J. R.Rostrup-Nielsen, B. S.Clausen, H.Topsoe: Science295 (2002), S. 2053.10.1126/science.1069325Search in Google Scholar PubMed
6 R. J.Bellows, M. Y.Lin, M.Arif, A. K.Thompson, D.Jacobson: Journal of The Electrochemical Society146 (1999), S. 1099–1103.10.1149/1.1391727Search in Google Scholar
7 D.Kramer, E.Lehmann, G.Frei, P.Vontobel, A.Wokaun, G. G.Scherer: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A542 (2005), S. 52–60.10.1016/j.nima.2005.01.011Search in Google Scholar
8 N.Pekula, K.Heller, P.A.Chuang, A.Turhan, M.M.Mench, J.S.Brenizer, K.Ünlü: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A542 (2005), S. 134–141.10.1016/j.nima.2005.01.090Search in Google Scholar
9 I.Manke, C.Hartnig, M.Grünerbel, J.Kaczerowski, W.Lehnert, N.Kardjilov, A.Hilger, J.Banhart, W.Treimer, M.Strobl: Applied Physics Letters90 (2007), 18410110.1063/1.2734171Search in Google Scholar
10 C.Hartnig, I.Manke, N.Kardjilov, A.Hilger, M.Grünerbel, J.Kaczerowski, J.Banhart, W.Lehnert: Journal of Power Sources176 (2008), S. 452–459.10.1016/j.jpowsour.2007.08.058Search in Google Scholar
11 I.Manke, C.Hartnig, N.Kardjilov, M.Messerschmidt, A.Hilger, M.Strobl, W.Lehnert, J.Banhart: Applied Physics Letters92 (2008), S. 244101.10.1063/1.2946664Search in Google Scholar
12 M. A.Hickner, N. P.Siegel, K. S.Chen, D. S.Hussey, D. L.Jacobson, M.Arif: Journal of The Electrochemical Society155 (2008), S. B427-B434.Search in Google Scholar
13 P.Boillat, D.Kramer, B. C.Seyfang, G.Frei, E.Lehmann, G. G.Scherer, A.Wokaun, Y.Ichikawa, Y.Tasaki, K.Shinohara: Electrochemistry Communications10 (2008), S. 546–550.10.1016/j.elecom.2008.01.018Search in Google Scholar
14 A.Schröder, K.Wippermann, J.Mergel, W.Lehnert, D.Stolten, T.Sanders, T.Baumhöfer, D. U.Sauer, I.Manke, N.Kardjilov, A.Hilger, J.Schloesser, J.Banhart, C.Hartnig: Electrochemistry Communications11 (2009), S. 1606–1609.10.1016/j.elecom.2009.06.008Search in Google Scholar
15 M. S.Nashner, A. I.Frenkel, D. L.Adler, J. R.Shapley, R. G.Nuzzo: J. Am. Chem. Soc.119 (1997), S. 7760.10.1021/ja971039fSearch in Google Scholar
16 M. S.Nashner, A. I.Frenkel, D.Somerville, C. W.Hills, J. R.Shapley, R. G.Nuzzo: J. Am. Chem. Soc.120 (1998), S. 8093.10.1021/ja980638zSearch in Google Scholar
17 C.Roth, N.Benker, M.Mazurek, F.Scheiba, H.Fuess: Appl. Catal. A319 (2007), S. 81–90.10.1016/j.apcata.2006.11.018Search in Google Scholar
18 W. E.O’Grady, P. L.Hagans, K. I.Pandya, D. L.Maricle: Langmuir17 (2001), S. 3047.10.1021/la0017532Search in Google Scholar
19 S.Maniguet, R. J.Mathew, A. E.Russell: J. Phys. Chem. B104 (2000), S. 1998–2000.10.1021/jp992947xSearch in Google Scholar
20 F. J.Scott, C.Roth, D. E.Ramaker: J. Phys. Chem. C.111 (2007), S. 11403.Search in Google Scholar
21 C.Roth, N.Benker, Th.Buhrmester, M.Mazurek, M.Loster, H.Fuess, D. C.Koningsberger, D. E.Ramaker: J. Am. Chem. Soc.127 (2005), S. 14607.Search in Google Scholar
22 R.Viswanathan, G.Hou, R.Liu, S. R.Bare, F.Modica, G.Mickelson, C. U.Segre, N.Leyarovska, E. S.Smotkin: J. Phys. Chem. B106 (2002), S. 3458.10.1021/jp0139787Search in Google Scholar
23 C.Roth, N.Martz, T.Buhrmester, H.Fuess: Phys. Chem. Chem. Phys.4 (2002), S. 3555.10.1039/b204293bSearch in Google Scholar
24 C.Roth, N.Martz, M.Mazurek, F.Scheiba, H.Fuess: Adv. Eng. Mat.7 (2005), S. 952.10.1002/adem.200500122Search in Google Scholar
25 J. M.Ziegelbauer, V. S.Murthi, C.O’Laoire, A. F.Guila, S.Mukerjee: Electrochim. Acta53 (2008), S. 5587.10.1016/j.electacta.2008.02.091Search in Google Scholar
26 S.Mukerjee, R. C.Urian, S. J.Lee, E. A.Ticianelli, J.McBreen: J. Electrochem. Soc.151 (2004), S. A1094.10.1149/1.1759363Search in Google Scholar
27 A. E.Russell, A.Rose: Chem. Rev.104 (2004), S. 4613.10.1021/cr020708rSearch in Google Scholar
28 R. J. K.Wiltshire, C. R.King, A.Rose, P. P.Wells, M. P.Hogarth, D.Thompsett, A. E.Russell: Electrochim. Acta50 (2005), S. 5208.10.1016/j.electacta.2005.05.038Search in Google Scholar
29 S.Stoupin, H.Rivera, Z. R.Li, C. U.Segre, C.Korzeniewski, D. J.Casadonte, H.Inoue, E. S.Smotkin: Phys. Chem. Chem. Phys.10, (2008), S. 6430.10.1039/b806345cSearch in Google Scholar
30 S.Stoupin, E. H.Chung, S.Chattopadhyay, C. U.Segre, E. S.Smotkin: J. Phys. Chem. B110 (2006), S. 9932.10.1021/jp057047xSearch in Google Scholar
31 R.Viswanathan, R.Liu, E. S.Smotkin: Rev. Sci. Instr., 73 (2002), S. 2124.10.1063/1.1472469Search in Google Scholar
32 V.Croze, F.Ettingshausen, J.Melke, M.Soehn, D.Stuermer, C.Roth: J. Appl. Electrochem.40 (2010), S. 877–883.10.1007/s10800-009-9919-xSearch in Google Scholar
33 J.Melke, A.Schoekel, D.Dixon, C.Cremers, D. E.Ramaker, C.Roth: J. Phys. Chem. C114 (2010), S. 5914–5925.10.1021/jp909342wSearch in Google Scholar
34 R.Mosdale1, G.Gebel, M.Pineri: J. Membr. Sci.118 (2005), S. 269–277.10.1016/0376-7388(96)00110-XSearch in Google Scholar
35 A.Turhan, S.Kim, M.Hatzell, M. M.Mench: Electrochim. Acta55 (2010), S. 2734–2745.10.1016/j.electacta.2009.11.095Search in Google Scholar
36 A.Schröder, K.Wippermann, W.Lehnert, D.Stolten, T.Sanders, T.Baumhöfer, N.Kardjilov, A.Hilger, J.Banhart, I.Manke: Journal of Power Sources (2010), doi:10.1016/j.jpowsour.2010.02.057, in press10.1016/j.jpowsour.2010.02.057Search in Google Scholar
37 B.Ravel, M.Newville: J. Synchrotron Rad.12 (2005) 4, S. 537–541.10.1107/S0909049505012719Search in Google Scholar PubMed
38 B.Ravel: J. Synchrotron Rad.8 (2001), S. 314–316.10.1107/S090904950001493XSearch in Google Scholar PubMed
39 N.Kardjilov, A.Hilger, I.Manke, M.Strobl, W.Treimer, J.Banhart: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A542 (2005), S. 16–21.10.1016/j.nima.2005.01.005Search in Google Scholar
40 F.Ettingshausen, J.Kleemann, M.Michel, M.Quintus, H.Fuess, C.Roth: J. Power Sources194 (2009), S. 899–907.10.1016/j.jpowsour.2009.06.003Search in Google Scholar
41 F.Ettingshausen, J.Kleemann, A.Marcu, G.Toth, H.Fuess, C.Roth: Fuel Cells (2010) submitted.Search in Google Scholar
42 N.Akhtar, A.Qureshi, J.Scholta, C.Hartnig, M.Messerschmidt, W.Lehnert: International Journal of Hydrogen Energy34 (2009), S. 3104–3111.10.1016/j.ijhydene.2009.01.022Search in Google Scholar
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