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 Das HZB 20 km BESSY II BER II

4 Radiographie und Tomographie 2D Rekonstruktion 3D Zerstörungsfrei und nichtinvasiv 4

5 (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)

6 (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 X-rays (100 kev) Thermal neutrons Ni 113 Cd Co Fe Gd Al 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)

7 (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)

8 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) 8

9 Wasserstoffspeicher Speichermedium LaNi 4.8 Al 0.2 L. Gondek et al. International Journal of Hydrogen Energy, 36, 16, (2011) 9

10 Motivation Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEM-BZ) Brennstoffzellen-Stack Anwendung z. B. im Automobilsektor 10

11 Wasser-Management Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEM-BZ) Strömungsfeld GDL MPL Gas Diffusionslage Mikro poröse Lage Elektrode 11

12 Gas-Diffusions-Medium 12

13 Wasser-Management Reaktionsgleichung: H 2 + ½ O 2 H 2 O Trockene Membran verliert Protonenleitfähigkeit Wasseransammlungen blockieren Gasversorgung Optimierung des Wasser-Managements ist essentiell für die Funktionsfähigkeit 13

14 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

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

16 Neutronen-Tomographie Einzelzellen Brennstoffzellen-Stacks 2D 3D I. Manke et al., Applied Physics Letters 90, (2007) 16

17 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)

18 Synchrotron-Röntgen-Tomographie BESSY Hohe Strahlintensitäten Monochromatische Strahlung Hohe Kohärenz Hohe Abbildungsgenauigkeit/Bildqualität Exzellente Quantifizerungsgenauigkeit Elementselektivität 18

19 Synchrotron-Röntgen- Radiographie und -Tomographie

20 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) 20

21 Synchrotron-Röntgen-Tomographie 1mm Quantifizierung der Wassermengen mittels Differenz-Tomographie 21

22 Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien Voll geladen Entladen 22

23 Zerstörungsfreie Prüfung Neuwertig Überladen 23

24 Lithium-Verteilung in Batterien Neutronen-Tomographie LiJ-Batterie LiCoO 2 -Batterie Lithium/Elektrolyt 1 mm 10 mm Lithium 24

25 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 25

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

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