Распределение воды в топливных элементах стало видимым в 4D

Команды из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) и Университетского колледжа Лондона (UCL) впервые визуализировали распределение воды в топливном элементе в трех измерениях и в режиме реального времени, оценив нейтронные данные из Берлинского экспериментального реактора, остановленного в 2019 году. Анализ открывает новые возможности для более эффективных и, следовательно, более экономичных топливных элементов.

«В топливном элементе водород и кислород объединяются, образуя воду. Это производит электроэнергию», — объясняет Ральф Цише из группы обработки изображений в HZB. «Вероятно, самым важным компонентом внутри топливного элемента является мембрана». Они имеет толщину всего около 20 микрометров (половина ширины человеческого волоса ) и соединены с различными функциональными слоями, образуя разделительную зону шириной около 600 микрометров внутри топливного элемента.

«Композитная мембрана выхватывает электроны из атомов водорода . Только ядра водорода — протоны — могут проходить через мембрану». Электроны, с другой стороны, утекают через электрическое соединение и используются в качестве электрического тока. Воздух поступает с другой стороны перегородки. Содержащийся в нем кислород вступает в реакцию с протонами, проходящими через мембрану, и электронами, возвращающимися с другой стороны электрической цепи. Получается чистая вода.

Функция каналов

«Некоторая часть воды сбрасывается. Другая часть должна оставаться в топливном элементе, потому что мембрана не должна высыхать», — объясняет Ральф Цише. «Но если в ней слишком много воды, протоны уже не могут проникнуть через мембрану. В этих точках образуются мертвые зоны, и реакция там уже не может проходить. КПД всего топливного элемента падает».

Чтобы водород, воздух и вода могли входить и выходить, в металлических пластинах с обеих сторон мембраны вырезаются крошечные каналы. Эти каналы можно использовать для оптимизации топливных элементов и повышения эффективности. Таким образом, конструкция канала является ключом к сбалансированному смачиванию ячеек и оптимальной эффективности.

Нейтроны для обнаружения воды

Для этого выгодно иметь как можно более точную картину распределения воды внутри каналов. Это было целью сотрудничества между исследовательской группой из Лаборатории электрохимических инноваций (EIL) Университетского колледжа Лондона (UCL) и HZB.

«В принципе, мы подвергли топливный элемент компьютерной томографии, как это используется в медицине», — объясняет Николай Карджилов из группы визуализации в HZB. Но пока рентгеновские лучи используются для медицинских анализов, Николай Карджилов и его команда предпочли использовать нейтронное излучение . «Потому что рентгеновские лучи обеспечивают слишком низкий контраст изображения между водородом и водой с одной стороны и металлической структурой с другой. С другой стороны, нейтроны здесь идеальны».

Топливный элемент (серый) вращается вокруг своей продольной оси во время томографии. Данные показывают, как увеличивается объем воды в функциональных слоях (зеленый цвет) и каналах во время работы ячейки. В анодных каналах (красные) образуется меньше воды, чем в катодных (синие). 

Вращающийся топливный элемент

Это было довольно сложно. Потому что для того, чтобы получить трехмерное изображение, источник излучения должен обогнуть изображаемый объект. В медицине это довольно легко решается. Там источник излучения и сканер вращаются вокруг пациента, лежащего на столе.

«Но нашим источником излучения был берлинский экспериментальный реактор BER II, где мы установили нашу станцию ​​визуализации CONRAD. И мы не можем просто вращать ее вокруг нашего образца топливного элемента», — говорит Николай Карджилов. Но с помощью инженерной хитрости его команде удалось переместить топливный элемент, включая линии подачи водорода и воздуха, линию отвода воды и электрические кабели, в пучок нейтронов. «До сих пор нейтронная визуализация позволяла получать только двухмерные изображения изнутри топливного элемента . Теперь, впервые, мы также сделали распределение воды видимым в трех измерениях и в реальном времени», — говорит физик. рад сообщить.

Исследование было опубликовано в Nature Communications .

Дополнительная информация: Ральф Ф. Цише и др., Высокоскоростная 4D нейтронная компьютерная томография для количественной оценки динамики воды в топливных элементах с полимерным электролитом, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29313-5

 

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com