Volume 52, Issue 10

Kurzfassung Um die Aufklärung und das Verständnis kritischer Transport- und Alterungsprozesse in Brennstoffzellen voranzutreiben, wurden in einem interdisziplinären Ansatz mathematische, natur- und ingenieurwissenschaftliche Kompetenzen aus sechs Instituten gebündelt. Einen Schwerpunkt bildete dabei der Einsatz zerstörungsfreier bildgebender Verfahren zur in-situ Diagnostik von PEM-Brennstoffzellen unter Betriebsbedingungen. Das vorliegende Heft präsentiert wesentliche Ergebnisse des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekts „Röntgen- und Neutronenbasierte Untersuchungsmethoden für PEM-Brennstoffzellen“ (RuNPEM, 03SF0324, 2007 bis 2010).

Kurzfassung Modellrechnungen zur Rekonstruktion unvollständiger computertomographischer Datensätze werden zur Ermittlung der Vorteile des neuen Directt-Algorithmus gegenüber der konventionellen gefilterten Rückprojektion durchgeführt, insbesondere auch zur Vermeidung experimentell begründeter Unwägbarkeiten. Ein entsprechender Bedarf entsteht seitens erweiterter Forschungsaktivitäten und industrieller Bedürfnisse, wo die Rekonstruktion limitierter Messdatensätze von Artefakten dominiert wird. Die bekanntesten Einschränkungen betreffen das Limited-View- und Few-Angles- Problem sowie die ROI-Situation, die jeweils unabhängig voneinander untersucht werden, in der Anwendung jedoch zumeist undefiniert vermischt sind, wie etwa in der Elektronen-Tomografie. Die hochauflösende Rekonstruktion von Einzelpixeln wird durch die Wahl eines kleinen Modells von nur 101 2 Pixeln visualisiert und ist ohne Filterung möglich. Rekonstruktionen von 90°-Sektoren oder 50% -ROI-Querschnitten sind fast ohne Auflösungseinschränkungen realisierbar. Die bisher nicht bekannte Möglichkeit, auch außerhalb der ROI präzise zu rekonstruieren, wurde als „Extended ROI“-Methode erfolgreich erprobt.

Kurzfassung Die Aufklärung spezifischer Fragestellungen zur Funktionalität von PEM(polymer electrolyte membrane)- und DMFC(Direct Metha- nol)-Brennstoffzellen bedarf der 3D-Abbildung der spezifischen Komponenten mit unterschiedlichen Strahlungsarten: des Wassergehalts in den Flow Fields mit Neutronen, der Katalysator-Alterung in der MEA (membrane electrode assembly) mit Synchrotronstrahlung und der freien (reaktiven) Katalysator-Oberfläche von Nano-Partikeln mit TEM-Elektronen-Tomografie. Diese Messungen im Bereich der mm- bis nm-Skala unterliegen dabei erheblichen Restriktionen: einer ortsabhängigen Verschmierung der Neutronenradiogramme, Manipulatorinstabilitäten der Synchrotronmessungen sowie einer Kombination von Limited-View-Datensätzen, wenigen Projektionswinkeln und teilweiser Nichtdurchstrahlbarkeit in der Elektronen-CT. Die Vorteile eines fortentwickelten Directt-Algorithmus für die Bewältigung dieser Randbedingungen gegenüber gefilterten Rückprojektionen werden aufgezeigt.

Kurzfassung Die speziellen Eigenschaften von Neutronen, insbesondere die hohe Sensitivität für Wasser sowie die Fähigkeit, viele metallische Komponenten zu durchdringen, macht die Neutronenradiografie zum attraktiven Werkzeug für die Brennstoffzellenforschung. Die detaillierte Untersuchung des Wasserhaushalts erfordert eine hohe Ortsauflösung des Detektors sowie ein flexibles und großes Abbildungsfeld. Bislang schränkte die geringe räumliche Ortsauflösung konventioneller Detektorsysteme die Detailtiefe bei der Wiedergabe von Wasserverteilungen in Zellen stark ein. Spezielle hochauflösende Detektorsysteme hingegen ermöglichen nur die Abbildung kleinster Teilbereiche der Zelle. Am Helmholtz-Zentrum Berlin wurde ein Detektorsystem entwickelt, das beide Grundforderungen erfüllt: Ein neuartiger Gadox-Szintillator ermöglicht eine deutlich verbesserte Ortsauflösung von max. 25 μm. Das verwendete Kamerasystem mit einem 4096×4097-Pixel-CCD-Sensor ermöglicht ein großes und flexibles Abbildungsfeld, z.B. 61,44×61,44 mm 2 beim 1:1-Abbildungsmaßstab. Mit diesem System lassen sich Brennstoffzellen großflächig und mit hoher Auflösung untersuchen.

Kurzfassung Die Korrosion von Ruthenium ist eine der Hauptursachen für die Alterung von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC). Mittels monoenergetischer Synchrotronstrahlung wird gezeigt, dass der in DMFC-Anoden enthaltene Co-Katalysator Ruthenium nach einem beschleunigten Alterungstest eine Umverteilung in der Anodengasdiffusionselektrode zwischen Bereichen unter Kanälen und unter Stegen erfährt und von der Anode zur Kathode gelangt. Für die tomographischen Untersuchungen wurden Proben aus einer gealterten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) herauspräpariert und ex situ untersucht. Es wird gezeigt, dass diese Umverteilungen auf den Stofftransport in der MEA und die Struktur der Gasdiffusionsschicht (GDL) zurückgeführt werden können.

Kurzfassung In-situ-Synchrotron-Radiografie wird eingesetzt, um die Verteilung und den Transport von CO 2 und Wasser in Direktmethanol- und Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (DMFCs und PEMFCs) sichtbar zu machen, um so die Eigenschaften der eingesetzten Materialien gezielt optimieren zu können. Bei der Synchrotronradiografie werden vor allem dynamische Prozesse sowohl zeitlich als auch räumlich sehr gut aufgelöst und Vorgänge in einer Brennstoffzelle zerstörungsfrei und nichtinvasiv während des Betriebes sichtbar gemacht. In diesem Artikel wird eine Übersicht über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Synchrotron-Radiografie in der Brennstoffzellenforschung gezeigt. Flüssigkeits- und Gasverteilungen werden sowohl flächig (through-plane) als auch im Querschnitt durch die Zelle (in-plane von Anode zu Kathode) analysiert. Anhand ausgewählter Beispiele werden der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur der eingesetzten Materialien und dem Medientransport sowie der Einfluss von Betriebsparametern auf die Medienverteilung dargelegt.

Kurzfassung 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.

Kurzfassung Synchrotronstrahlung wird für tomografische Aufnahmen eingesetzt, um die Wasserverteilung in der Gasdiffusionslage (GDL) von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) zu untersuchen. Die hohe räumliche Auflösung von ca. 10μm bei gleichzeitig großem Sichtfeld ermöglicht die Analyse der Wasseragglomerationen in der porösen Struktur der GDL sowie in den Gasverteilerkanälen. Durch die dreidimensionale Aufnahme der Zelle ist ein umfassender Einblick in den Wassergehalt möglich. Dazu wird die Brennstoffzelle in einem stationären Zustand betrieben und direkt nach dem Betrieb tomografiert. Die Tomogramme können bei verschiedenen Betriebszuständen aufgenommen und analysiert werden. Einblicke in das Zellgefüge sind aus unterschiedlichen Blickwinkeln möglich. Schnittansichten ermöglichen darüber hinaus detaillierte Untersuchungen, insbesondere des Wasserhaushalts in der GDL. Neben der Visualisierung der Wasserverteilung ist somit auch eine Charakterisierung der verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Transporteigenschaften möglich.

Kurzfassung Neutronenradiografie wird seit einiger Zeit für Aufnahmen von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) eingesetzt, um während des Betriebs (in situ) die Wasserverteilung sichtbar zu machen. Eine wichtige Anwendung ist die Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Eigenschaften der Gasdiffusionslagen (GDL), wie der Porosität, der Hydrophobizität oder der Alterung, auf den Wasserhaushalt. Eine weitere Form der Anwendung ist die Untersuchung von Alterungseffekten. Um die Effekte einer GDL-Alterung zu analysieren, wurde eine Methode zur gezielten Ex-situ-Alterung mit Wasserstoffperoxid entwickelt. Mittels Neutronenradiografie wurde untersucht, wie sich der Wasserhaushalt der Brennstoffzellen durch eine Modifikation der GDL-Eigenschaften verändert.

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 Eine wichtige Komponente von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) ist die Gasdiffusionslage (GDL). Sie ist, unter anderem, für die Versorgung der Elektrode mit Reaktionsgasen sowie den Abtransport des entstehenden Wassers verantwortlich. Um einen optimalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erzielen zu können und eine vorzeitige Alterung zu verhindern, ist eine konstante und gleichmäßige Versorgung der Elektrode mit Reaktionsgasen erforderlich. Dazu muss vor allem sichergestellt werden, dass das bei der Reaktion entstehende Wasser abtransportiert wird, um den Gastransport nicht zu behindern. Um diese Stofftransportprozesse, die im Porenraum der GDL stattfinden, besser verstehen zu können, untersuchen wir in der vorliegenden Arbeit die Struktur des Porenraumes basierend auf einer Graphen-Darstellung. Diese Darstellung des Porenraumes gewinnen wir aus 3-D Synchrotron-Daten mit Hilfe einer Skelettierung. In der vorliegenden Arbeit werden wir damit die Porenräume von zwei verschiedenen Typen von GDL (Papier-Typ und Vlies-Typ) strukturell untersuchen und deren Unterschiede quantitativ beschreiben.