就像一个精心照料的温室花园，一种特殊类型的氢燃料电池 - 它有望成为车辆和其他用途的清洁，可再生的下一代动力源 - 需要精确的温度和湿度控制才能达到最佳状态。如果内部条件太干或太湿，燃料电池将无法正常工作。
但是，在与燃料电池的化学和物理相关的微小尺度上观察工作燃料电池是一项挑战，因此科学家们在能源部劳伦斯伯克利实验室(伯克利实验室)和阿贡实验室使用基于X射线的成像技术。研究在一系列温度和湿度条件下燃料电池组件的内部工作原理。
由现任塔夫斯大学前伯克利实验室博士后研究员Iryna Zenyuk领导的研究团队包括来自伯克利实验室能量存储和分布式资源部门的科学家以及高光源(ALS)，一种称为同步加速器的X射线源。
ALS让研究人员可以非常快速地以高分辨率对3D进行成像，使他们能够在真实条件下查看工作中的燃料电池。该团队创建了一个试验台，以模拟工作的聚合物 - 电解质燃料电池的温度条件，该燃料电池供给氢气和氧气并产生水作为副产品。
“水的管理和温度是至关重要的，”伯克利实验室能源技术领域的科学家兼多实验室燃料电池研究项目副主任亚当·韦伯说，燃料电池联盟的性能和耐用性(FC-PAD) )。
该研究已在线发表在Electrochimica Acta杂志上。
该研究旨在找到细胞内湿度和温度的正确平衡，以及水如何从细胞中移出。
例如，控制水蒸汽在电池中冷凝的方式和位置是至关重要的，这样它就不会阻挡促进化学反应的进入气体。
“水，如果你不去除它，可以覆盖催化剂，防止氧气到达反应部位，”韦伯说。但必须有一些湿度，以确保细胞中的膜可以有效地传导离子。
研究小组使用称为微型X射线计算机断层扫描的X射线技术来记录直径约3至4毫米的样本燃料电池的三维图像。
参与这项研究的ALS研究科学家杜拉帕金森说：“ALS让我们可以非常快速地以高分辨率在三维图像中进行成像，这样我们就可以在真实条件下查看工作燃料电池。”
样品池包括薄碳纤维层，称为气体扩散层，其在工作单元中夹着两侧涂有催化剂层的中心聚合物基膜。这些气体扩散层有助于分配反应物化学物质，然后从反应中除去产物。
韦伯说，该研究使用的是与商用燃料电池相关的材料。之前的一些研究已经探索了水如何通过燃料电池材料并从燃料电池材料中脱落，新的研究增加了精确的温度控制和测量，以提供关于水和温度如何在这些材料中相互作用的新见解。
在ALS和Argonne的Advanced Photon Source(一种专门研究不同X射线能量范围的同步加速器)的互补实验中，提供了温度变化过程中水蒸发，冷凝和细胞分布的详细视图。
“我们花了很多时间来探索这种物理学，”韦伯说，“因此我们可以将其与理论模型进行比较，最终优化水管理过程，从而优化电池性能，”韦伯说。
实验的重点是平均温度范围从约95到122华氏度，电池内的温度变化为60到80度(更热到更冷)。在约四小时的过程中进行测量。结果提供了关键信息，以验证详细说明燃料电池功能的水和热模型。
该测试单元包括一个热侧，用于显示水在化学反应部位的蒸发方式，以及一个较冷的一侧，以显示水蒸汽如何冷凝并驱动电池中的大部分水运动。
虽然碳纤维层的导热系数 - 它们传递热能的能力 - 随着水分含量的下降而略有下降，但研究发现即使最轻微的饱和度也几乎使完全干燥的碳的导热系数增加了一倍 - 纤维层。研究人员发现，细胞内的水分蒸发似乎在大约120华氏度时急剧增加。
实验表明水的分布精度为百万分之一米，并且表明水的输送主要由两个过程驱动：燃料电池的运行和从电池中清除水。
研究发现，较大的水团比较小的团簇蒸发得更快。该研究还发现，燃料电池中水簇的形状倾向于类似于扁平球体，而在碳纤维层中成像的空隙倾向于有点橄榄球形状。
Weber说，还有一些正在进行的研究，使用基于X射线的成像技术一次查看一个完整的分量级燃料电池。
“有一些方法可以将成像结合在一起，从而获得更大的视野，”他说。正在评估该过程，作为在测试之前和之后通过成像找到细胞中失效位点的起源的方法。他补充说，典型的工作分级燃料电池的尺寸约为50平方厘米。