Analyse der Schichtmorphologie und virtuelles Design der Katatysatorschicht in Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts konnte erstmalig eine 3D Darstellung und Analyse der nanoporösen kathodenseitigen Katalysatorschicht (CCL) einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) erfolgen. Außerdem wurde ein Ansatz zur stochastischen Rekonstruktion entwickelt, der auf Informationen der Realgeometrie beruht. Die 3D Darstellung erfolgte mittels Focused Ion Beam / Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM) Tomographie. Der in diesem Projekt erarbeitete Ansatz besteht aus drei wesentlichen Teilschritten: Bildgebung, Ausgleich von Verschiebungen zwischen einzelnen Bildern (Alignment) sowie der nachgelagerten physikalischen Interpretation der Bilder (Segmentierung). Auftretende Driftphänomene konnten in diesem Projekt korrigiert werden. Es wurde weiterhin ein Ansatz zur semi-automatischen Segmentierung von FIB-SEM Bildern entwickelt. Eine vollautomatische Segmentierung konnte weder mittels aufwendiger Algorithmen noch mittels existierender Verfüllmaterialien zufriedenstellend realisiert werden. Die wesentliche Herausforderung bei der 3D Darstellung verbleibt daher im Bereich der Segmentierung. Die in der Festphase enthaltenen Kohlenstoffpartikel, die Platinnanopartikel und das protonleitende Ionomer konnten mit der FIB-SEM Methode nicht unterschieden werden. Die Analyse ergab eine Porosität von 38 % bei einem zu mehr als 99 % verbundenen Porenraum und Festphasenraum. Ein Ansatz zur Beschreibung von 3D Porengrößen wurde implementiert. Es ergaben sich mittlere Porengrößen von ca. 60 nm. Da eine Aufteilung der Festphase in Ihre Bestandteile nicht möglich war, konnte nur eine Berechnung einer effektiven Leitfähigkeit der gesamten Festphase erfolgen. Diese ergaben Faktoren von 𝜎𝑒𝑓𝑓 = (0.36, 0.37, 0.42) in Bezug auf den Volumenwert. Eine Berechnung der effektiven Diffusivität in der Bosanquet-Näherung ergab 𝐷𝐵 = (3.3 3.4, 5.4) ∙ 10^−7 (𝑚2 / 𝑠 ). Die Abweichungen in die dritte Raumrichtung sind hierbei höchstwahrscheinlich auf die inhomogene Auflösung der FIB-SEM Methode zurückzuführen. Es wurde eine Simulated Annealing basierte Methode zur dreidimensionalen stochastischen Rekonstruktion von CCLs implementiert. Es erfolgte eine Validierung der stochastischen Rekonstruktionsmethode. Diese ergab, dass sich Poren- und Festkörperverteilungen mit der implementierten Methode sehr gut darstellen lassen. Auch die Leitfähigkeit der Festphase konnte anhand einer Referenzgeometrie mit 8% Genauigkeit reproduziert werden. Starke Abweichungen verblieben bei der Berechnung der effektiven Diffusivitäten (bis zu 45 %). Auf Basis des entwickelten stochastischen Rekonstruktionsverfahrens wurde eine mittels FIB-SEM rekonstruierte Realgeometrie rekonstruiert und die Porosität zu höheren Porositäten variiert. Eine Variation der Porosität über einen Bereich von 16 % ausgehend von der Ausgangsporosität ergab eine Reduktion der effektiven Leitfähigeiten auf 53 % des Ausgangswertes und eine Erhöhung der Diffusivitäten auf 250 % des Ausgangswertes. Es zeigte sich hierbei ein nahezu lineares Änderungesverhalten. Die in diesem Projekt entwickelten Methodiken sind generisch und ermöglichen die Untersuchungen nanoporöser Materialien für verschiedene Anwendungen. Zukünftige Arbeiten sollten unterschiedliche tomographische Techniken einbeziehen um komplementäre Informationen aus den Proben zu extrahieren.
Publications
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Three dimensional Reconstruction of PEFC Catalyst Layers, Fifth International Conference Multiscale Materials Modeling, Freiburg 2010
S. Thiele, R. Zengerle and C. Ziegler
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Three dimensional Reconstruction of PEFC Catalyst Layers, Meeting of the Electrochemical Society, Vancouver 2010
S. Thiele, R. Zengerle and C. Ziegler
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Direct three-dimensional reconstruction of a nanoporous catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, Journal of Power Sources, vol. 196, no. 4, pp. 2094–2097, 2011
C. Ziegler, S. Thiele and R. Zengerle
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FIB-SEM tomography of a porous polymer-electrolyte fuel cell cathode catalyst layer - Image Acquisition, Segmentation and Analysis, Microscopy Conference 2011, Kiel 2011
S. Thiele, R. Zengerle and C. Ziegler
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Nano-morphology of a polymer electrolyte fuel cell catalyst layer: imaging, reconstruction and analysis, Nano Research, vol. 4, no. 9, pp. 849–860, 2011
S. Thiele, R. Zengerle and C. Ziegler
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Tomographic Reconstruction of PEFC Catalyst Layers, Hydrogen and Fuel Cell Conference, Vancouver 2011
S. Thiele, R. Zengerle and C. Ziegler
