Klaus Wippermann

Preparation and characterisation of Pt–Ru model electrodes for the direct methanol fuel cell

Abstract Pt–Ru alloys for the direct methanol fuel cell (DMFC) with Ru contents between 10 and 60 at.% were synthesised in two ways: on the one hand, polycrystalline Pt–Ru reference samples were prepared by arc melting starting from appropriate mixtures of Pt and Ru powders. On the other hand, nanocrystalline Pt–Ru particles of about 8 nm were electrochemically deposited in carbon/Nafion™ layers on glassy carbon discs for electrochemical measurements. The structural properties of the Pt–Ru model electrodes, such as lattice constant, grain size and alloy composition, were investigated by X-ray line shape analysis and scanning electron microscopy (EDX). Analysing the continuous peak shift of the Pt Bragg reflexes with increasing Ru content, we established a calibration curve for Pt–Ru alloys which allows to determine the Ru content of samples with unknown composition by simple XRD measurements. The Pt–Ru samples were electrochemically characterised recording quasi-stationary current–potential curves with regard to the influence of the Pt–Ru composition on the methanol oxidation. The Pt–Ru catalyst with 50 at.% Ru turned out to be most active for the methanol electrooxidation.

Catalysis of the electrochemical processes on solid oxide fuel cell cathodes

Abstract Three methods of lowering the activation energy of the oxygen reduction reaction at solid oxide fuel cell (SOFC) cathodes are reported: (i) addition of highly dispersed noble metals (⩽0.1 mg/cm 2 ) at the La 0.84 Sr 0.16 MnO 3 cathode/yttria stabilized zirconia (YSZ) electrolyte interface; (ii) partial substitution of manganese by cobalt in La 0.79 Sr 0.16 MnO 3 cathodes, and (iii) combination of (i) and (ii). In the presence of palladium, the apparent activation energy, E a , of the oxygen reaction reaction is decreased from 2.2 eV (La 0.84 Sr 0.16 MnO 3 without catalyst) to 1.4 eV. A similar effect is observed, when manganese is substituted by 20 mol% Co (La 0.79 Sr 0.16 Mn 0.80 Co 0.20 O 3 ), where E a ∼ 0.9 eV is obtained. In the presence of palladium, with the substitution of manganese by cobalt (method (iii)), no further improvement is achieved.

Design of in-situ experimentation for the study of fuel cells with X-rays and neutrons

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.

Röntgen-Kanten-Tomografie und -Radiografie zur Untersuchung von Alterungseffekten in Brennstoffzellenmaterialien

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.

Direct Methanol–Hydrogen Fuel Cell

We report a regime of direct methanol fuel cell (DMFC) operation. Measurements of local current show that with a lack of oxygen, the cell splits into three domains. Close to the inlet of the oxygen channel, the cell generates current in a normal DMFC mode (galvanic domain, GD). Close to the outlet of this channel, it works in an electrolysis mode and produces hydrogen (electrolytic domain). At a high rate of hydrogen production, H 2 permeates to the GD and contributes to current production, i.e., part of the GD operates as a hydrogen cell. Performance of the cell in this regime is discussed.

Hochauflösende Synchrotron-Radiografie

Kurzfassung In-situ-Synchrotron-Radiografie wird eingesetzt, um die Verteilung und den Transport von CO2 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.

Hochortsauflösendes, großflächiges Neutronen-Detektorsystem für die Brennstoffzellenforschung

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 mm2 beim 1:1-Abbildungsmaßstab. Mit diesem System lassen sich Brennstoffzellen großflächig und mit hoher Auflösung untersuchen.

Tomografische Methoden für die Brennstoffzellenforschung

Kurzfassung 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.