Inde i brændselscellen:Imaging metode lover industriel indsigt

Hydrogenholdige stoffer er vigtige for mange industrier, men forskere har kæmpet for at få detaljerede billeder for at forstå elementets adfærd. I Gennemgang af videnskabelige instrumenter forskere demonstrerer kvantificering af brint til forskellige vandtilstande - dvs. væske, frosset og superkølet-til applikationer på miljøvenlige brændselsceller.

"Vores metode er ikke begrænset til brændselsceller eller vand. Der er mange forbindelser i den kemiske industri, herunder elektrokemi, elektrolytter til batterier eller redox flowceller der også indeholder brint, sagde teamleder Pierre Boillat, fra Paul Scherrer Institut i Schweiz.

Når rent vand afkøles til under nul grader Celsius, det danner ikke altid is, men kan forblive i en flydende form kendt som underkølet vand. Dette fænomen forekommer til en vis grad i polymerelektrolytbrændselsceller, og da frysning og efterfølgende volumenudvidelse af vand vides at forårsage skade, der er interesse for at forstå disse vandtilstande.

Det schweiziske team brugte stråler af neutroner til at undersøge indersiden af ​​en aluminiumsvægget kalibreringscelle. Neutroner sprang af hydrogenet fra H ₂ O -molekyler i et påviseligt mønster, ligesom hvordan røntgenstråler bruges til at billedgøre knogler. Boillats team demonstrerede tidligere, at de forskellige tværsnit af is og underkølet vand ved lavere neutronenergier kunne bruges til billeddannelse. De har forfinet processen til at producere billeder med en hidtil uset kontrast.

"Vi udviklede en metode, der bruger en højcyklus af gentagne impulser, der er meget brede, giver meget stærkere stråleflux, så vi kan måle hurtigere og med bedre billedkvalitet, "sagde Boillat, beskriver den såkaldte high-duty cyklus, flyvetidsmålinger, som hans team implementerede ved strålelinjen i den europæiske Spallation Source -testopsætning placeret på Helmholtz Zentrum Berlin i Tyskland.

Forfatter Muriel Siegwart forklarede stigningen i målehastighed, fra fem timer til fem minutter, var kritisk for at følge reaktionens fremskridt. Hun håber at øge hastigheden endnu mere, så de kan spore dannelsen af ​​is og efterfølgende skader i brændselsceller.

Boillat fremhævede, hvordan teamets tværkontinentale samarbejde var afgørende for at bekræfte eksperimentelle fund. Dette omfattede samarbejde med neutrondetektoreksperter ved University of California, Berkeley og teoretiske simuleringseksperter ved Neutron Physics Department og Instituto Balseiro i Bariloche, Argentina.

"Vi observerede en vis påvirkning af temperaturen på målingerne, men var ikke sikre på, om dette var en form for eksperimentel bias. Det passede perfekt med de teoretiske modeller, der beviste, at dette var en reel effekt, "sagde Boillat.

Boillats team var også blandt de første til eksperimentelt at udnytte bølgelængden frame multiplikation chopper system, en forbedringsteknik, der vil blive inkluderet i flere instrumenter på den europæiske Spallation Source -facilitet under opførelse i Sverige. Udnyttelse af referencedata opnået med denne metode, teamet udviklede en teoretisk ramme, der optimerer kontrast / støj-forholdet i erhvervede billeder. Teamet anvender denne ramme til analyse af lithium-ion-batterier.