Brændselscelle røntgenundersøgelse beskriver virkningerne af temperatur og fugt på ydeevnen

Som en velplejet drivhushave, en specialiseret type brintbrændselscelle - som viser lovende som en ren, vedvarende næste generations strømkilde til køretøjer og andre formål - kræver præcise temperatur- og fugtkontrol for at være bedst. Hvis de indre forhold er for tørre eller for våde, brændselscellen vil ikke fungere godt.

Men at se inde i en fungerende brændselscelle i de små skalaer, der er relevante for en brændselscelles kemi og fysik, er udfordrende, så forskere brugte røntgenbaserede billedbehandlingsteknikker ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Argonne National Laboratory til at studere den indre funktion af brændselscellekomponenter udsat for en række temperatur- og fugtforhold.

Forskerholdet, ledet af Iryna Zenyuk, en tidligere Berkeley Lab postdoc-forsker nu ved Tufts University, omfattede forskere fra Berkeley Labs division for energilagring og distribuerede ressourcer og den avancerede lyskilde (ALS), en røntgenkilde kendt som en synkrotron.

ALS lader forskere meget hurtigt tage billeder i 3D i høj opløsning, giver dem mulighed for at se ind i fungerende brændselsceller under virkelige forhold. Holdet skabte et testleje for at efterligne temperaturforholdene for en fungerende polymer-elektrolyt brændselscelle, der tilføres brint og oxygengasser og producerer vand som et biprodukt.

"Vandstyringen og temperaturen er kritiske, " sagde Adam Weber, en stabsforsker i Energy Technologies Area ved Berkeley Lab og vicedirektør for en multi-lab brændselscelleforskningsindsats, brændselscellekonsortiet for ydeevne og holdbarhed (FC-PAD).

Undersøgelsen er blevet offentliggjort online i tidsskriftet Electrochemica Acta .

Forskningen sigter mod at finde den rette balance mellem fugtighed og temperatur i cellen, og hvordan vand bevæger sig ud af cellen.

Kontrol af hvordan og hvor vanddamp kondenserer i en celle, for eksempel, er kritisk, så det ikke blokerer for indkommende gasser, der letter kemiske reaktioner.

"Vand, hvis du ikke fjerner det, kan dække katalysatoren og forhindre oxygen i at nå reaktionsstederne, " sagde Weber. Men der skal være en vis fugtighed for at sikre, at den centrale membran i cellen effektivt kan lede ioner.

Forskerholdet brugte en røntgenteknik kendt som mikrorøntgencomputertomografi til at optage 3D-billeder af en prøvebrændselscelle, der måler omkring 3 til 4 millimeter i diameter.

"ALS lader os tage billeder i 3D i høj opløsning meget hurtigt, giver os mulighed for at kigge ind i arbejdende brændselsceller under virkelige forhold, "sagde Dula Parkinson, en forsker ved ALS, der deltog i undersøgelsen.

Prøvecellen omfattede tynde kulfiberlag, kendt som gasdiffusionslag, som i en arbejdscelle sandwich en central polymerbaseret membran belagt med katalysatorlag på begge sider. Disse gasdiffusionslag hjælper med at fordele reaktantkemikalierne og derefter fjerne produkterne fra reaktionerne.

Weber sagde, at undersøgelsen brugte materialer, der er relevante for kommercielle brændselsceller. Nogle tidligere undersøgelser har undersøgt, hvordan vand trænger igennem og udskilles fra brændselscellematerialer, og den nye undersøgelse tilføjede præcise temperaturkontroller og målinger for at give ny indsigt i, hvordan vand og temperatur interagerer i disse materialer.

Gratis eksperimenter ved ALS og Argonne's Advanced Photon Source, en synkrotron, der er specialiseret i en anden række røntgenenergier, givet detaljerede visninger af vandets fordampning, kondensation, og fordeling i cellen under temperaturændringer.

"Det tog ALS at udforske fysikken i dette, " sagde Weber, "så vi kan sammenligne dette med teoretiske modeller og til sidst optimere vandhåndteringsprocessen og dermed cellens ydeevne, " sagde Weber.

Eksperimenterne fokuserede på gennemsnitstemperaturer fra omkring 95 til 122 grader Fahrenheit, med temperaturvariationer på 60 til 80 grader (varmere til koldere) i cellen. Målinger blev taget i løbet af cirka fire timer. Resultaterne gav nøgleoplysninger til at validere vand- og varmemodeller, der detaljerede brændselscellefunktioner.

Denne testcelle inkluderede en varm side designet til at vise, hvordan vand fordamper på stedet for de kemiske reaktioner, og en køligere side for at vise, hvordan vanddamp kondenserer og driver hovedparten af ​​vandbevægelsen i cellen.

Mens kulfiberlagens varmeledningsevne - deres evne til at overføre varmeenergi - faldt en smule, da fugtindholdet faldt, undersøgelsen viste, at selv den mindste grad af mætning producerede næsten dobbelt så høj varmeledningsevne som et helt tørt kulfiberlag. Vandfordampning i cellen ser ud til at stige dramatisk ved omkring 120 grader Fahrenheit, fandt forskere.

Eksperimenterne viste vandfordeling med milliontedele af en meter præcision, og foreslog, at vandtransport i høj grad drives af to processer:driften af ​​brændselscellen og udrensningen af ​​vand fra cellen.

Undersøgelsen viste, at større vandklynger fordamper hurtigere end mindre klynger. Undersøgelsen fandt også, at formen af ​​vandklynger i brændselscellen har en tendens til at ligne fladtrykte kugler, mens hulrum afbildet i kulfiberlagene har tendens til at være noget fodboldformede.

Der er også nogle igangværende undersøgelser, Weber said, 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, han tilføjede.