Philipp Krüger

Wassermanagement in Brennstoffzellen — die Bedeutung von hochauflösenden zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden

Kurzfassung 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.

Synchrotron-Radiographie und -Tomographie einer PEM-Brennstoffzelle

Abstract Die dreidimensionalen Wasserverteilungen und -transportwege in den Gasdiffusionslagen (GDL) einer Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle werden bei verschiedenen Betriebsbedingungen analysiert. Die Methode der quasi In-situ-Röntgen-Tomographie wird für eine dreidimensionale Visualisierung der Wasserverteilung sowie der Struktur der GDL genutzt. Basierend auf Ergebnissen dynamischer radiographischer Messungen werden Wassertransportwege aufgefunden und anschließend mithilfe der Tomographie im Detail untersucht. Die Kombination dieser 2D- und 3D-Techniken erlaubt eine Identifizierung der Transportwege durch die GDL. zwei Mechanismen werden auf der Kathodenseite beobachtet: zum einen Wasser, das aus der GDL in den Kanal transportiert wird, und zum anderen Wasser, das in die GDL zurückgedrückt wird.

Dreidimensionale Untersuchung der Wasserverteilung in einer Miniatur-PEM-Brennstoffzelle

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.

Untersuchung des Einflusses von GDL-Eigenschaften auf den Wasserhaushalt mittels Neutronenradiografie

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.

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.

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.