Но заглянуть внутрь работающего топливного элемента в крошечных масштабах, имеющих отношение к химии и физике топливного элемента, является сложной задачей, поэтому ученые использовали методы визуализации на основе рентгеновских лучей в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) и Аргоннской национальной лаборатории, чтобы изучать внутреннюю работу компонентов топливных элементов, подвергающихся воздействию различных температурных и влажностных условий.В исследовательскую группу во главе с Ириной Зенюк, в прошлом научным сотрудником лаборатории Беркли, ныне работающей в Университете Тафтса, вошли ученые из Отдела хранения энергии и распределенных ресурсов лаборатории Беркли и Advanced Light Source (ALS), источника рентгеновского излучения, известного как синхротрон.ALS позволяет исследователям очень быстро получать трехмерные изображения с высоким разрешением, позволяя им заглядывать внутрь работающих топливных элементов в реальных условиях. Команда создала испытательный стенд, чтобы имитировать температурные условия рабочего топливного элемента с полимерным электролитом, который питается водородом и кислородом и производит воду в качестве побочного продукта.
«Управление водой и температура имеют решающее значение», — сказал Адам Вебер, штатный научный сотрудник отдела энергетических технологий лаборатории Беркли и заместитель директора по многолабораторным исследованиям топливных элементов Консорциума топливных элементов по производительности и долговечности (FC-PAD). ).Исследование было опубликовано в Интернете в журнале Electrochimica Acta.Исследование направлено на поиск правильного баланса влажности и температуры внутри клетки, а также на то, как вода выходит из клетки.Например, очень важно контролировать, как и где водяной пар конденсируется в ячейке, чтобы он не блокировал входящие газы, которые способствуют химическим реакциям.
«Если вы не удалите воду, она может покрыть катализатор и помешать проникновению кислорода в места реакции», — сказал Вебер. Но должна быть некоторая влажность, чтобы центральная мембрана клетки могла эффективно проводить ионы.Исследовательская группа использовала рентгеновский метод, известный как микрорентгеновская компьютерная томография, для записи трехмерных изображений образца топливного элемента диаметром от 3 до 4 миллиметров.
«ALS позволяет нам очень быстро получать трехмерные изображения с высоким разрешением, позволяя заглянуть внутрь работающих топливных элементов в реальных условиях», — сказал Дула Паркинсон, научный сотрудник ALS, участвовавший в исследовании.Ячейка для образца включала тонкие слои углеродного волокна, известные как газодиффузионные слои, которые в рабочей ячейке сэндвич с центральной мембраной на основе полимера, покрытой слоями катализатора с обеих сторон.
Эти газодиффузионные слои помогают распределять реагирующие химические вещества, а затем удалять продукты из реакций.Вебер сказал, что в исследовании использовались материалы, имеющие отношение к коммерческим топливным элементам. Некоторые предыдущие исследования изучали, как вода проникает через материалы топливных элементов и выделяется из них, а в новом исследовании добавлены точные средства контроля и измерения температуры, чтобы по-новому взглянуть на то, как вода и температура взаимодействуют в этих материалах.
Дополнительные эксперименты в ALS и в аргоннском усовершенствованном источнике фотонов, синхротроне, который специализируется на другом диапазоне энергий рентгеновского излучения, предоставили подробные изображения испарения, конденсации и распределения воды в ячейке при изменении температуры.«Потребовалось ALS, чтобы изучить физику этого, — сказал Вебер, — чтобы мы могли сравнить это с теоретическими моделями и, в конечном итоге, оптимизировать процесс управления водными ресурсами и, следовательно, производительность ячеек», — сказал Вебер.
Эксперименты были сосредоточены на средних температурах в пределах от 95 до 122 градусов по Фаренгейту, с колебаниями температуры от 60 до 80 градусов (от более высокой до более холодной) внутри камеры. Измерения проводились в течение примерно четырех часов. Результаты предоставили ключевую информацию для проверки моделей воды и тепла, подробно описывающих функции топливных элементов.
Эта испытательная ячейка включала в себя горячую сторону, предназначенную для демонстрации испарения воды в месте химических реакций, и более холодную сторону, чтобы показать, как водяной пар конденсируется и приводит в движение основную часть движения воды в ячейке.Хотя теплопроводность слоев углеродного волокна — их способность передавать тепловую энергию — несколько снизилась по мере снижения содержания влаги, исследование показало, что даже малейшая степень насыщения почти вдвое увеличивает теплопроводность полностью сухого углеродного волокна. волокнистый слой. Исследователи обнаружили, что испарение воды внутри клетки резко увеличивается при температуре около 120 градусов по Фаренгейту.
Эксперименты показали распределение воды с точностью до миллионных долей метра и предположили, что перенос воды в значительной степени обусловлен двумя процессами: работой топливного элемента и продувкой воды из элемента.Исследование показало, что более крупные водные кластеры испаряются быстрее, чем более мелкие. Исследование также показало, что форма кластеров воды в топливном элементе имеет тенденцию напоминать сплюснутые сферы, в то время как пустоты, отображаемые в слоях углеродного волокна, имеют тенденцию иметь форму футбольного мяча.По словам Вебера, в настоящее время ведутся также некоторые исследования по использованию рентгеновской техники визуализации, позволяющей заглянуть внутрь топливного элемента полного подшкалы, по частям.
«Есть способы сшить изображения, чтобы получить гораздо большее поле зрения», — сказал он. Этот процесс оценивается как способ найти источник участков отказа в клетках с помощью визуализации до и после тестирования.
Типичный рабочий субуровневый топливный элемент имеет площадь около 50 квадратных сантиметров, добавил он.