Но наблюдение в рабочем топливном элементе в крошечных весах, относящихся к химии и физике топливного элемента, сложно, таким образом, ученые использовали основанные на рентгене методы отображения в Национальной лаборатории Национальной лаборатории и Аргонна Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), чтобы изучить внутренние работы компонентов топливного элемента, подвергнутых ряду условий температуры и влажности.Исследовательская группа, во главе с Ириной Зенюк, бывшая Berkeley Lab постдокторский исследователь теперь в Университете Тафтса, включала ученых из Аккумулирования энергии Berkeley Lab и Распределенного Разделения Ресурсов и Advanced Light Source (ALS), источник рентгена, известный как синхротрон.АЛЬС впускает изображение исследователей, 3D в высоком разрешении очень быстро, позволяя им посмотреть в рабочих топливных элементах в реальных условиях.
Команда создала испытательный стенд, чтобы подражать температурным условиям рабочего топливного элемента электролита полимера, который питается газы водорода и кислорода и производит воду как побочный продукт.«Управление водными ресурсами и температура очень важны», сказал Адам Вебер, научный сотрудник в области Энергетических технологий в Berkeley Lab и заместителе директора научно-исследовательской работы топливного элемента мультилаборатории, Консорциуме Топливного элемента для Работы и Длительности (ПОДУШКА ФК).
Исследование было опубликовано онлайн в журнале Electrochimica Acta.Исследование стремится находить правильный баланс влажности и температуры в клетке, и как вода перемещается из клетки.
Управление, как и где водяной пар уплотняет в клетке, например, очень важно так, чтобы это не блокировало поступающих газов, которые облегчают химические реакции.«Вода, если Вы не удаляете его, может покрыть катализатор и препятствовать тому, чтобы кислород достиг мест реакции», сказал Вебер.
Но должна быть некоторая влажность, чтобы гарантировать, что центральная мембрана в клетке может эффективно провести ионы.Исследовательская группа использовала метод рентгена, который, как известно как микро компьютерная томография рентгена, сделал запись 3D изображений типового топливного элемента, измеряющего приблизительно 3 – 4 миллиметра в диаметре.«АЛЬС позволяет нам изображение в 3D в высоком разрешении очень быстро, позволяя нам посмотреть в рабочих топливных элементах в реальных условиях», сказал Дула Паркинсон, исследователь в АЛЬСЕ, который участвовал в исследовании.
Типовая клетка включала тонкие слои углеволокна, известные как слои газового распространения, которые в рабочем сэндвиче клетки центральная основанная на полимере мембрана покрыла слоями катализатора с обеих сторон. Эти слои газового распространения помогают распределить химикаты реагента и затем удалить продукты из реакций.
Вебер сказал, что исследование использовало материалы, которые относятся к коммерческим топливным элементам. Некоторые предыдущие исследования исследовали, как водные фитили через и потеряны от материалов топливного элемента, и новое исследование добавило точные температурные средства управления и измерения, чтобы обеспечить новое понимание о том, как вода и температура взаимодействуют в этих материалах.
Дополнительные эксперименты в АЛЬСЕ и в Продвинутом Источнике Фотона Аргонна, синхротрон, который специализируется на различном диапазоне энергий рентгена, обеспеченных подробные изображения водного испарения, уплотнения и распределения в клетке во время изменений температуры.«Это взяло АЛЬС, чтобы исследовать физику этого», сказал Вебер, «таким образом, мы можем сравнить это с теоретическими моделями и в конечном счете оптимизировать процесс управления водными ресурсами и таким образом работу клетки», сказал Вебер.Эксперименты сосредоточились на средних температурах в пределах от приблизительно 95 – 122 градусов по Фаренгейту с температурными изменениями 60 – 80 градусов (более горячий к более холодному) в клетке.
Измерения были проведены в течение приблизительно четырех часов. Результаты предоставили ключевую информацию, чтобы утвердить воду и тепловые модели та функция топливного элемента детали.
Эта испытательная клетка включала горячую сторону, разработанную, чтобы показать, как вода испаряется на месте химических реакций и более прохладной стороне, чтобы показать, как водяной пар уплотняет и ведет большую часть движения воды в клетке.В то время как теплопроводность слоев углеволокна – их способность передать тепловую энергию – уменьшенный немного как влажность уменьшилась, исследование нашло, что даже малейшая степень насыщенности, произведенной почти, удваивает теплопроводность абсолютно сухого слоя углеволокна.
Водное испарение в клетке, кажется, существенно увеличивается на уровне приблизительно 120 градусов по Фаренгейту, исследователи нашли.Эксперименты показали водное распределение с миллионными частями точности метра и предположили, что водный транспорт в основном ведут два процесса: операция топливного элемента и чистка воды от клетки.
Исследование нашло, что большие водные группы испаряются более быстро, чем меньшие группы. Исследование также нашло, что форма водных групп в топливном элементе имеет тенденцию напоминать сглаженные сферы, в то время как пустоты, изображенные в слоях углеволокна, имеют тенденцию быть несколько в форме футбольного мяча.Есть также некоторые продолжающиеся исследования, Вебер сказал, чтобы использовать основанный на рентгене метод отображения, чтобы посмотреть в полном топливном элементе подмасштаба один раздел за один раз.
«Есть способы сшить вместе отображение так, чтобы Вы получили намного большее поле зрения», сказал он. Этот процесс оценивается как способ найти происхождение мест неудачи в клетках посредством отображения прежде и после тестирования.
Типичный рабочий топливный элемент подмасштаба измеряет приблизительно 50 квадратных сантиметров, добавил он.