Come una serra ben curata, un tipo specializzato di cella a combustibile a idrogeno - che promette come un pulito, fonte di energia rinnovabile di nuova generazione per veicoli e altri usi - richiede controlli precisi di temperatura e umidità per essere al meglio. Se le condizioni interne sono troppo asciutte o troppo umide, la cella a combustibile non funzionerà bene.

Ma vedere all'interno di una cella a combustibile funzionante su scale minuscole rilevanti per la chimica e la fisica di una cella a combustibile è impegnativo, così gli scienziati hanno utilizzato tecniche di imaging a raggi X presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia e l'Argonne National Laboratory per studiare il funzionamento interno dei componenti delle celle a combustibile soggetti a una serie di condizioni di temperatura e umidità.

Il gruppo di ricerca, guidata da Iryna Zenyuk, un ex ricercatore post-dottorato del Berkeley Lab ora alla Tufts University, inclusi scienziati della divisione Energy Storage and Distributed Resources di Berkeley Lab e Advanced Light Source (ALS), una sorgente di raggi X nota come sincrotrone.

L'ALS consente ai ricercatori di acquisire immagini in 3D ad alta risoluzione molto rapidamente, consentendo loro di guardare all'interno delle celle a combustibile funzionanti in condizioni reali. Il team ha creato un banco di prova per imitare le condizioni di temperatura di una cella a combustibile a elettrolita polimerico funzionante che viene alimentata con idrogeno e gas di ossigeno e produce acqua come sottoprodotto.

"La gestione dell'acqua e la temperatura sono fondamentali, "ha detto Adam Weber, uno scienziato del personale nell'area delle tecnologie energetiche presso il Berkeley Lab e vicedirettore per uno sforzo di ricerca sulle celle a combustibile multi-laboratorio, il Consorzio delle celle a combustibile per le prestazioni e la durata (FC-PAD).

Lo studio è stato pubblicato online sulla rivista Electrochimica Acta .

La ricerca mira a trovare il giusto equilibrio di umidità e temperatura all'interno della cella, e come l'acqua esce dalla cellula.

Controllare come e dove il vapore acqueo si condensa in una cella, Per esempio, è fondamentale affinché non blocchi i gas in ingresso che facilitano le reazioni chimiche.

"Acqua, se non lo rimuovi, può coprire il catalizzatore e impedire all'ossigeno di raggiungere i siti di reazione, " ha detto Weber. Ma ci deve essere un po' di umidità per garantire che la membrana centrale nella cellula possa condurre in modo efficiente gli ioni.

Il team di ricerca ha utilizzato una tecnica a raggi X nota come micro tomografia computerizzata a raggi X per registrare immagini 3D di una cella a combustibile campione che misura da 3 a 4 millimetri di diametro.

"L'ALS ci consente di acquisire immagini in 3D ad alta risoluzione molto rapidamente, permettendoci di guardare all'interno delle celle a combustibile funzionanti in condizioni reali, " disse Dula Parkinson, un ricercatore presso la SLA che ha partecipato allo studio.

La cella campione includeva sottili strati di fibra di carbonio, noti come strati di diffusione del gas, che in una cella di lavoro racchiudono una membrana centrale a base di polimeri rivestita con strati di catalizzatore su entrambi i lati. Questi strati di diffusione del gas aiutano a distribuire le sostanze chimiche reagenti e quindi a rimuovere i prodotti dalle reazioni.

Weber ha affermato che lo studio ha utilizzato materiali rilevanti per le celle a combustibile commerciali. Alcuni studi precedenti hanno esplorato come l'acqua passa attraverso e viene versata dai materiali delle celle a combustibile, e il nuovo studio ha aggiunto precisi controlli e misurazioni della temperatura per fornire nuove informazioni su come l'acqua e la temperatura interagiscono in questi materiali.

Esperimenti gratuiti presso l'ALS e l'Advanced Photon Source di Argonne, un sincrotrone specializzato in una diversa gamma di energie dei raggi X, fornito viste dettagliate dell'evaporazione dell'acqua, condensazione, e distribuzione nella cella durante le variazioni di temperatura.

"Ci è voluta la SLA per esplorare la fisica di questo, "Weber ha detto, "così possiamo confrontarlo con modelli teorici ed eventualmente ottimizzare il processo di gestione dell'acqua e quindi le prestazioni della cella, " ha detto Weber.

Gli esperimenti si sono concentrati su temperature medie che vanno da circa 95 a 122 gradi Fahrenheit, con variazioni di temperatura da 60 a 80 gradi (da più calda a più fredda) all'interno della cella. Le misurazioni sono state effettuate nel corso di circa quattro ore. I risultati hanno fornito informazioni chiave per convalidare modelli di acqua e calore che dettagliano la funzione delle celle a combustibile.

Questa cella di prova includeva un lato caldo progettato per mostrare come l'acqua evapora nel sito delle reazioni chimiche, e un lato più freddo per mostrare come il vapore acqueo si condensa e guida la maggior parte del movimento dell'acqua nella cella.

Mentre la conduttività termica degli strati di fibra di carbonio - la loro capacità di trasferire energia termica - è leggermente diminuita al diminuire del contenuto di umidità, lo studio ha scoperto che anche il minimo grado di saturazione produceva quasi il doppio della conduttività termica di uno strato di fibra di carbonio completamente asciutto. L'evaporazione dell'acqua all'interno della cella sembra aumentare drasticamente a circa 120 gradi Fahrenheit, ricercatori hanno trovato.

Gli esperimenti hanno mostrato la distribuzione dell'acqua con una precisione di milionesimi di metro, e ha suggerito che il trasporto dell'acqua è in gran parte guidato da due processi:il funzionamento della cella a combustibile e lo spurgo dell'acqua dalla cella.

Lo studio ha scoperto che gli ammassi d'acqua più grandi evaporano più rapidamente di quelli più piccoli. Lo studio ha anche scoperto che la forma dei grappoli d'acqua nella cella a combustibile tende ad assomigliare a sfere appiattite, mentre i vuoti ripresi negli strati di fibra di carbonio tendono ad essere in qualche modo a forma di pallone da calcio.

Ci sono anche alcuni studi in corso, Weber ha detto, 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, Ha aggiunto.