Als een goed onderhouden serre, een gespecialiseerd type waterstofbrandstofcel - die veelbelovend is als een schone, hernieuwbare energiebron van de volgende generatie voor voertuigen en ander gebruik - vereist nauwkeurige temperatuur- en vochtigheidsregelingen om optimaal te zijn. Als de interne omstandigheden te droog of te nat zijn, de brandstofcel zal niet goed functioneren.

Maar het is een uitdaging om binnenin een werkende brandstofcel te kijken op de kleine schalen die relevant zijn voor de chemie en fysica van een brandstofcel. dus gebruikten wetenschappers op röntgenstraling gebaseerde beeldvormingstechnieken bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en het Argonne National Laboratory van het Department of Energy om de interne werking van brandstofcelcomponenten te bestuderen die zijn onderworpen aan een reeks temperatuur- en vochtomstandigheden.

Het onderzoeksteam, geleid door Iryna Zenyuk, een voormalig Berkeley Lab postdoctoraal onderzoeker nu aan de Tufts University, inclusief wetenschappers van Berkeley Lab's Energy Storage and Distributed Resources Division en de Advanced Light Source (ALS), een röntgenbron die bekend staat als een synchrotron.

Met de ALS kunnen onderzoekers zeer snel 3D-beelden met hoge resolutie maken, waardoor ze in echte omstandigheden in werkende brandstofcellen kunnen kijken. Het team creëerde een testbed om de temperatuuromstandigheden na te bootsen van een werkende polymeer-elektrolyt-brandstofcel die waterstof- en zuurstofgassen krijgt en water als bijproduct produceert.

"De waterhuishouding en temperatuur zijn cruciaal, " zei Adam Weber, een stafwetenschapper in de Energy Technologies Area bij Berkeley Lab en adjunct-directeur voor een multi-lab brandstofcelonderzoek, het Fuel Cell Consortium for Performance and Durability (FC-PAD).

De studie is online gepubliceerd in het tijdschrift Electrochimica Acta .

Het onderzoek is gericht op het vinden van de juiste balans tussen vochtigheid en temperatuur in de cel, en hoe water uit de cel beweegt.

Regelen hoe en waar waterdamp condenseert in een cel, bijvoorbeeld, is van cruciaal belang, zodat het geen binnenkomende gassen blokkeert die chemische reacties vergemakkelijken.

"Water, als je het niet verwijdert, kan de katalysator bedekken en voorkomen dat zuurstof de reactieplaatsen bereikt, "Zei Weber. Maar er moet enige vochtigheid zijn om ervoor te zorgen dat het centrale membraan in de cel ionen efficiënt kan geleiden.

Het onderzoeksteam gebruikte een röntgentechniek die bekend staat als micro-röntgencomputertomografie om 3D-beelden op te nemen van een brandstofcelmonster met een diameter van ongeveer 3 tot 4 millimeter.

"Met de ALS kunnen we heel snel 3D-beelden met een hoge resolutie maken, waardoor we in echte omstandigheden in werkende brandstofcellen kunnen kijken, " zei Dula Parkinson, een onderzoeker bij de ALS die aan de studie heeft deelgenomen.

De monstercel bevatte dunne koolstofvezellagen, bekend als gasdiffusielagen, die in een werkende cel een centraal op polymeer gebaseerd membraan sandwichen dat aan beide zijden is gecoat met katalysatorlagen. Deze gasdiffusielagen helpen de reactantchemicaliën te verdelen en vervolgens de producten uit de reacties te verwijderen.

Weber zei dat de studie materialen gebruikte die relevant zijn voor commerciële brandstofcellen. Sommige eerdere studies hebben onderzocht hoe water doordringt en wordt afgevoerd uit brandstofcelmaterialen, en de nieuwe studie voegde nauwkeurige temperatuurregelingen en -metingen toe om nieuw inzicht te geven in hoe water en temperatuur in deze materialen op elkaar inwerken.

Gratis experimenten bij de ALS en bij Argonne's Advanced Photon Source, een synchrotron die gespecialiseerd is in een ander bereik van röntgenstralingsenergieën, gedetailleerde weergaven van de waterverdamping, condensatie, en verdeling in de cel tijdens temperatuurveranderingen.

"Het kostte de ALS om de fysica hiervan te onderzoeken, "Weber zei, "zodat we dit kunnen vergelijken met theoretische modellen en uiteindelijk het waterbeheerproces en dus de celprestaties kunnen optimaliseren, ' zei Weber.

De experimenten waren gericht op gemiddelde temperaturen variërend van ongeveer 95 tot 122 graden Fahrenheit, met temperatuurvariaties van 60 tot 80 graden (warmer tot kouder) in de cel. De metingen werden uitgevoerd in de loop van ongeveer vier uur. De resultaten leverden belangrijke informatie om water- en warmtemodellen te valideren die de brandstofcelfunctie gedetailleerd weergeven.

Deze testcel bevatte een hete kant die is ontworpen om te laten zien hoe water verdampt op de plaats van de chemische reacties, en een koelere kant om te laten zien hoe waterdamp condenseert en het grootste deel van de waterbeweging in de cel aandrijft.

Terwijl de thermische geleidbaarheid van de koolstofvezellagen - hun vermogen om warmte-energie over te dragen - iets afnam naarmate het vochtgehalte daalde, de studie wees uit dat zelfs de geringste mate van verzadiging bijna het dubbele van de thermische geleidbaarheid van een volledig droge koolstofvezellaag produceerde. Waterverdamping in de cel lijkt dramatisch toe te nemen bij ongeveer 120 graden Fahrenheit, onderzoekers gevonden.

De experimenten toonden de waterverdeling aan met een precisie van een miljoenste van een meter, en suggereerde dat watertransport grotendeels wordt aangedreven door twee processen:de werking van de brandstofcel en het zuiveren van water uit de cel.

Uit de studie bleek dat grotere waterclusters sneller verdampen dan kleinere clusters. Uit de studie bleek ook dat de vorm van waterclusters in de brandstofcel vaak lijkt op afgeplatte bollen, terwijl holtes die in de koolstofvezellagen worden afgebeeld, enigszins voetbalvormig zijn.

Er zijn ook enkele lopende onderzoeken, Weber zei, to use the X-ray-based imaging technique to look inside a full subscale fuel cell one section at a time.

"There are ways to stitch together the imaging so that you get a much larger field of view, " he said. This process is being evaluated as a way to find the origin of failure sites in cells through imaging before and after testing. A typical working subscale fuel cell measures around 50 square centimeters, hij voegde toe.