Arlt, T.: Methodische Untersuchung von Alterungseffekten an Brennstoffzellen mittels Synchrotronradiografie und -tomografie. , 2012
Berlin, Techn. Univ., Diss., 2012
zugl.: Berlin: Helmholtz Zentrum Berlin ; (Schriftenreihe des HZB - Examensarbeiten ; HZB-B 30)
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:83-opus-35432
http://www.helmholtz-berlin.de/media/media/angebote/bibliothek/Examensarbeiten-Master/hzb-b30%28diss.arlt%29.pdf

Abstract:
In der vorliegenden Arbeit wurden methanol‐ und wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen mitbildgebenden Verfahren untersucht. Synchrotronradiografie und ‐tomografie wurden eingesetzt, um Stofftransportvorgänge und Materialien auch während des Zellbetriebs („in‐situ“) zerstörungsfrei und mit hoher Ortsauflösung zu untersuchen. Die Korrosion von Ruthenium ist eine der Hauptursachen für die Alterung von Direkt‐Methanol‐ Brennstoffzellen (DMFC). Die Untersuchung des Einflusses von Alterungsprozessen auf die Verteilung des Rutheniums ist daher von großem Interesse, da verschiedene Prozesse hierbei eine Verringerung der aktiven Fläche hervorrufen. Es konnte gezeigt werden, dass ein neuartiges auf der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) basierendes Verfahren eine dreidimensionale Analyse von Umverteilungen des Katalysators über große Messareale ermöglicht. Mittels monoenergetischer Synchrotronstrahlung wurde dabei gezeigt, dass das in der Anode enthaltene Ruthenium nach einem beschleunigten Alterungstest eine örtliche Umverteilung in der anodenseitigen Gasdiffusionselektrode zwischen Bereichen unter den Kanälen und unter den Stegen erfährt und, dass es von der Anode durch die Membran zur Kathode transportiert wird. Die durch den beschleunigten Alterungstest hervorgerufenen Umverteilungen unterschieden sich zu denen, die sich durch den realen Stackbetrieb (hier über 1700 h) von Brennstoffzellen in Niederflurhubfahrzeug ergeben. Für die tomographischen Untersuchungen wurden Proben aus einer im Stackbetrieb gealterten Membran‐Elektroden‐Einheit (MEA) herauspräpariert und ex‐situ untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass diese Umverteilungen auf Stofftransporte (CO2 und H2O) innerhalb der MEA und auf die Struktur der Gasdiffusionsschicht (GDL) zurückgeführt werden können. Weitere hochenergieauflösende Messungen zeigten unterschiedliche Oxidationsstärken des Rutheniums, sowie des Platins in Abhängigkeit zu dessen ortsabhängigen Materialstärke. Letztere konnte, ebenso für den Platinkatalysator, mittels der hier neu entwickelten Methode quantitativ angegeben werden. Der zweite Teil der Arbeiten befasst sich mit in‐situ Untersuchungen von Hochtemperatur‐Polymer‐ Elektrolyt‐Brennstoffzellen (HT‐PEFC). In diesem Zelltyp entsteht auf Grund der Betriebstemperatur von 160‐200°C kein flüssiges Wasser, weswegen konventionelle Auswertemethoden für eine quantitative Beschreibung der Zellkomponenten nicht geeignet sind. Das Produktwasser ist hier insbesondere für die Leitfähigkeit der Membran und des Zustands der in der Membran und den Elektroden enthaltenen Phosphorsäure wichtig. Erstmalig wurde hier ein Modell skizziert, mit welchem der Wasserhaushalt in einer HT‐PEFC zu verschiedenen Betriebszuständen in‐situ charakterisiert werden kann. Die Charakterisierung basiert auf gemessenen Veränderungen der Membrantransmission und ‐ dicke. Durch geeignete Modelle konnte so der Wasserhaushalt der Membran berechnet werden. Umverteilungen der Phosphorsäure zwischen den Elektroden und der Membran in Abhängigkeit von unterschiedlichen Zellzuständen wurden quantitativ und ortsaufgelöst bestimmt. Die Analysen mit den bildgebenden Verfahren wurden mit Ergebnissen von Polarisationsmessungen und elektrochemischen Impedanzspektroskopieuntersuchungen kombiniert.