Como un jardín de invernadero bien cuidado, un tipo especializado de pila de combustible de hidrógeno, que se muestra prometedor como un Fuente de energía renovable de próxima generación para vehículos y otros usos:requiere controles precisos de temperatura y humedad para estar en su mejor momento. Si las condiciones internas son demasiado secas o demasiado húmedas, la pila de combustible no funcionará bien.

Pero ver el interior de una celda de combustible en funcionamiento a escalas diminutas relevantes para la química y la física de una celda de combustible es un desafío, por lo que los científicos utilizaron técnicas de imágenes basadas en rayos X en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía para estudiar el funcionamiento interno de los componentes de la celda de combustible sometidos a una variedad de condiciones de temperatura y humedad.

El equipo de investigación dirigido por Iryna Zenyuk, un ex investigador postdoctoral de Berkeley Lab ahora en la Universidad de Tufts, incluyó a científicos de la División de Recursos Distribuidos y Almacenamiento de Energía de Berkeley Lab y la Fuente de Luz Avanzada (ALS), una fuente de rayos X conocida como sincrotrón.

El ALS permite a los investigadores obtener imágenes en 3-D a alta resolución muy rápidamente, permitiéndoles mirar dentro de las celdas de combustible en funcionamiento en condiciones del mundo real. El equipo creó un banco de pruebas para imitar las condiciones de temperatura de una celda de combustible de polímero-electrolito en funcionamiento que se alimenta de gases de hidrógeno y oxígeno y produce agua como subproducto.

"La gestión del agua y la temperatura son fundamentales, "dijo Adam Weber, un científico de planta en el Área de Tecnologías Energéticas en Berkeley Lab y subdirector de un esfuerzo de investigación de celdas de combustible de múltiples laboratorios, el Consorcio de Pilas de Combustible para el Rendimiento y la Durabilidad (FC-PAD).

El estudio ha sido publicado en línea en la revista Electrochimica Acta .

La investigación tiene como objetivo encontrar el equilibrio adecuado de humedad y temperatura dentro de la celda, y cómo sale el agua de la celda.

Controlar cómo y dónde se condensa el vapor de agua en una celda, por ejemplo, es fundamental para que no bloquee los gases entrantes que facilitan las reacciones químicas.

"Agua, si no lo quitas, puede cubrir el catalizador y evitar que el oxígeno llegue a los sitios de reacción, "Dijo Weber. Pero tiene que haber algo de humedad para asegurar que la membrana central de la célula pueda conducir iones de manera eficiente.

El equipo de investigación utilizó una técnica de rayos X conocida como tomografía computarizada de micro rayos X para registrar imágenes en 3D de una celda de combustible de muestra que mide entre 3 y 4 milímetros de diámetro.

"El ALS nos permite obtener imágenes en 3-D a alta resolución muy rápidamente, permitiéndonos mirar dentro de las celdas de combustible en funcionamiento en condiciones del mundo real, "dijo Dula Parkinson, un científico investigador de la ALS que participó en el estudio.

La celda de muestra incluía capas delgadas de fibra de carbono, conocidas como capas de difusión de gas, que en una celda de trabajo intercalan una membrana central a base de polímero recubierta con capas de catalizador en ambos lados. Estas capas de difusión de gas ayudan a distribuir los reactivos químicos y luego eliminan los productos de las reacciones.

Weber dijo que el estudio utilizó materiales que son relevantes para las pilas de combustible comerciales. Algunos estudios anteriores han explorado cómo el agua se filtra y se desprende de los materiales de las pilas de combustible. y el nuevo estudio agregó controles y mediciones de temperatura precisos para proporcionar una nueva perspectiva sobre cómo interactúan el agua y la temperatura en estos materiales.

Experimentos complementarios en ALS y en Advanced Photon Source de Argonne, un sincrotrón que se especializa en una gama diferente de energías de rayos X, proporcionó vistas detalladas de la evaporación del agua, condensación, y distribución en la celda durante los cambios de temperatura.

"Se necesitó la ALS para explorar la física de esto, "Weber dijo, "para que podamos comparar esto con los modelos teóricos y, finalmente, optimizar el proceso de gestión del agua y, por lo tanto, el rendimiento de la celda, "Dijo Weber.

Los experimentos se centraron en temperaturas promedio que oscilaban entre 95 y 122 grados Fahrenheit, con variaciones de temperatura de 60 a 80 grados (más caliente a más frío) dentro de la celda. Las mediciones se tomaron en el transcurso de aproximadamente cuatro horas. Los resultados proporcionaron información clave para validar los modelos de agua y calor que detallan la función de la celda de combustible.

Esta celda de prueba incluía un lado caliente diseñado para mostrar cómo el agua se evapora en el sitio de las reacciones químicas. y un lado más frío para mostrar cómo el vapor de agua se condensa e impulsa la mayor parte del movimiento del agua en la celda.

Si bien la conductividad térmica de las capas de fibra de carbono, su capacidad para transferir energía térmica, disminuyó ligeramente a medida que disminuyó el contenido de humedad, el estudio encontró que incluso el más mínimo grado de saturación producía casi el doble de la conductividad térmica de una capa de fibra de carbono completamente seca. La evaporación del agua dentro de la celda parece aumentar dramáticamente a aproximadamente 120 grados Fahrenheit, los investigadores encontraron.

Los experimentos mostraron la distribución del agua con una precisión de millonésimas de metro, y sugirió que el transporte de agua está impulsado en gran medida por dos procesos:el funcionamiento de la celda de combustible y la purga de agua de la celda.

El estudio encontró que los grupos de agua más grandes se evaporan más rápidamente que los grupos más pequeños. El estudio también encontró que la forma de los grupos de agua en la celda de combustible tiende a parecerse a esferas aplanadas, mientras que los vacíos en las imágenes de las capas de fibra de carbono tienden a tener forma de balón de fútbol.

También hay algunos estudios en curso, Weber dijo:utilizar la técnica de imágenes basada en rayos X para mirar dentro de una celda de combustible de subescala completa, una sección a la vez.

"Hay formas de unir las imágenes para obtener un campo de visión mucho mayor, " 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, añadió.