Zerstörungsfreie Untersuchung von Brennstoffzellen und Batterien mit bildgebenden Röntgen- und Neutronen-Verfahren

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1 Zerstörungsfreie Untersuchung von Brennstoffzellen und Batterien mit bildgebenden Röntgen- und Neutronen-Verfahren Ingo Manke Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

2 ÜBERSICHT Prinzip der Tomographie Eigenschaften von Neutronen und (Synchrotron-)Röntgenstrahlung Anwendungsbeispiele Brennstoffzellen Batterien

3 (Synchrotron-)Röntgen-Strahlung und Neutronen X-rays photo electron neutrons core core absorption scattering absorption scattering Mass attenuation coefficient, (cm 2 /g) X-rays (100 kev) Atomic number J. Banhart, A. Borbély, M. Dzieciol, I. Manke, N. Kardjilov, A. R. Kaysser-Pyzalla, et al. International Journal of Materials Research 2010, 9, (2010)

4 (Synchrotron-)Röntgen-Strahlung und Neutronen X-rays neutrons core core photo electron absorption scattering absorption scattering Mass attenuation coefficient, (cm 2 /g) B 1 H Li Al X-rays (100 kev) Thermal neutrons Ni 113 Cd Co Fe Gd Pb Atomic number Au J. Banhart, A. Borbély, M. Dzieciol, I. Manke, N. Kardjilov, A. R. Kaysser-Pyzalla, et al. International Journal of Materials Research 2010, 9, (2010)

5 (Synchrotron-)Röntgen-Strahlung und Neutronen X-rays neutrons core core photo electron absorption scattering absorption scattering Mass attenuation coefficient, (cm 2 /g) B 1 H Li Al X-rays (100 kev) Thermal neutrons Ni 113 Cd light elements Co Fe metals Gd Pb Atomic number heavy elements Au J. Banhart, A. Borbély, M. Dzieciol, I. Manke, N. Kardjilov, A. R. Kaysser-Pyzalla, et al. International Journal of Materials Research 2010, 9, (2010)

6 Wasserstoffverteilung im Stahl H 2 Rissbildung Rot = Wasserstoff A. Griesche, E. Dabah, Th. Kannengießer, N. Kardjilov, A. Hilger, I. Manke 3D-imaging of hydrogen blister in steel with neutron tomography Acta Materialia, 78, p (2014) 6

7 Wasserstoffspeicher Speichermedium LaNi 4.8 Al 0.2 L. Gondek et al. International Journal of Hydrogen Energy, 36, 16, (2011) 7

8 Motivation Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEM-BZ) Brennstoffzellen-Stack Anwendung z. B. im Automobilsektor 8

9 Wasser-Management Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEM-BZ) Strömungsfeld GDL MPL Gas Diffusionslage Mikro poröse Lage Elektrode 9

10 Gas-Diffusions-Medium 10

11 Neutronen-Radiographie PEM Fuel Cell (ZSW) In-situ Neutron radiography Neutron radiography (fast motion) dehydration Current density (A/cm 2 ) cm flooding 0.0 C. Hartnig, I. Manke, N. Kardjilov et al Journal of Power Sources 176, (2008) Simultanoues current density measurement

12 Water thickness (mm) Einfluß der Hydrophobizität GDL Hydrophobizität hoch niedrig weniger hydrophob hydrophob 1.5 mm 1.0 mm 0.5 mm Time (min) 0.0 mm

13 Neutronen-Tomographie Einzelzellen Brennstoffzellen-Stacks 2D 3D I. Manke et al., Applied Physics Letters 90, (2007) 13

14 Quantifizierungsgenauigkeit für Wasser Membran: trocken befeuchtet Wasserfilmdicke von 1 µm noch nachweisbar J.R. Bunn, D. Penumadu et al. Detection of water with high sensitivity to study PEM fuel cell membranes using cold neutrons at high spatial resolution Applied Physics Letters, to be submitted (2013)

15 Synchrotron-Röntgen-Tomographie BESSY Hohe Strahlintensitäten Monochromatische Strahlung Hohe Kohärenz Hohe Abbildungsgenauigkeit/Bildqualität Exzellente Quantifizierungsgenauigkeit Elementselektivität 15

16 Synchrotron-Röntgen- Radiographie und -Tomographie

17 Synchrotron-Röntgen-Radiographie neutron radiography In-situ synchrotron radiography A 120 mm Water droplet dynamics 7 mm 150 times fast motion I. Manke et al., APL 90, (2007), Ch. Hartnig et al., APL 92, (2008) Ch. Hartnig et al., J. Power Sources 188 (2009), I. Manke et al., APL 92, (2008) 17

18 Synchrotron-Röntgen-Tomographie 1mm Quantifizierung der Wassermengen mittels Differenz-Tomographie 18

19 Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien Voll geladen Entladen 19

20 Zerstörungsfreie Prüfung Neuwertig Überladen 20

21 Lithium-Verteilung in Batterien Neutronen-Tomographie LiJ-Batterie LiCoO 2 -Batterie Lithium/Elektrolyt 1 mm 10 mm Lithium 21

22 Acknowledgements B. Müller, A. Kupsch, A. Lange, M. Hentschel N. Kardjilov, A. Hilger, F. Wieder, Ch. Tötzke, T. Arlt, H. Markötter R. Grothausmann, J. Banhart W. Lehnert, W. Maier, D. Froning V. Schmidt, R. Thiemann, G. Gaiselmann J. Scholta, M. Messerschmidt, M. Klages, J. Haußmann, R. Kuhn, Ph. Krüger, F. Häussler, S. Kleinau 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Resolution Size 100 µm 1 µm 10 nm 1 nm 100 mm 10 mm 1 µm 100 nm