Rentgenska študija gorivnih celic opisuje učinke temperature in vlage na zmogljivost

Radojičić za RTS: "Tiršova 2" nije samo zgrada (Julij 2019).

Anonim

Kot dobro urejen toplogredni vrt je specializirana vrsta vodikove gorivne celice, ki obetajo kot čist, obnovljiv vir energije za naslednjo generacijo vozil in druge uporabe, zahteva natančno kontrolo temperature in vlage. Če so notranje razmere suhe ali preveč mokre, gorilna celica ne deluje dobro.

Vendar pa je videti v notranjosti delujoče gorivne celice na majhnih lestvicah, ki so pomembne za kemijo in fiziko gorivnih celic, zato so znanstveniki uporabili rentgenske tehnike slikanja na Oddelku za energetiko v Nacionalnem laboratoriju v zvezni državi Lawrence Berkeley (Laboratorij Berkeley) in Nacionalnemu laboratoriju Argonne preučiti notranje delovanje komponent gorivnih celic, izpostavljenih temperaturnim in vlažnim razmeram.

Raziskovalna ekipa, ki jo je vodila Iryna Zenyuk, nekdanji znanstvenik na podiplomskem laboratoriju Berkeley, zdaj na univerzi Tufts, je vključila znanstvenike iz oddelka za hranjenje in distribucijo virov Berkeley Lab in Advanced Light Source (ALS), rentgenski vir, znan kot sinhrotron.

ALS raziskovalcem omogoča slikanje v 3-D z visoko ločljivostjo zelo hitro, kar jim omogoča, da pogledajo v delujoče gorivne celice v realnem svetu. Ekipa je ustvarila preskusno posteljo, ki posnema temperaturne pogoje delovne polimerne elektrolitne gorivne celice, ki se napaja z vodikom in kisikovimi plini in proizvaja vodo kot stranski produkt.

"Ravnanje z vodo in temperatura sta ključnega pomena", je povedal Adam Weber, znanstveni delavec na področju energetskih tehnologij pri Berkeley Labu in namestnik direktorja za raziskovalne napore z več laboratorijskimi gorivnimi celicami, konzorcij za učinkovito in trajnostno gorivo (FC-PAD).

Študija je bila objavljena na spletu v reviji Electrochimica Acta.

Namen raziskave je najti pravo ravnovesje vlažnosti in temperature znotraj celice in kako se voda izloča iz celice.

Nadzorovanje, kako in kje vodne pare kondenzira v celici, je na primer kritično, tako da ne blokira dohodnih plinov, ki olajšajo kemične reakcije.

"Voda, če jo ne odstranite, lahko pokrije katalizator in preprečuje, da bi kisik dosegel reakcijska mesta", je dejal Weber. Ampak mora obstajati nekaj vlažnosti, da se zagotovi, da lahko osrednja membrana v celici učinkovito vodi ione.

Raziskovalna skupina je uporabila rentgensko tehniko, imenovano mikro rentgensko računalniško tomografijo, za snemanje 3-D slike vzorčne gorivne celice, ki meri približno 3 do 4 milimetre v premeru.

"ALS nam omogoča zelo hitro prikazovanje slike v 3-D z visoko ločljivostjo, kar omogoča, da pogledamo v notranjost delujočih gorivnih celic v realnem svetu, " je dejala Dula Parkinson, raziskovalna znanstvenica na ALS, ki je sodelovala v raziskavi.

Celica vzorca je vključevala tanke sloje ogljikovih vlaken, znane kot plasti-difuzijske plasti, ki v delovno celico poševajo osrednjo polimerno membrano, prevlečeno s katalizatorskimi plastmi na obeh straneh. Te plinske difuzijske plasti pomagajo porazdeliti reaktantne kemikalije in nato odstraniti izdelke iz reakcij.

Weber je dejal, da je študija uporabila materiale, ki so pomembni za komercialne gorivne celice. Nekatere predhodne študije so preučile, kako voda prehaja skozi materiale gorivnih celic, in nova študija je dodala natančne nadzor temperature in meritve, da bi zagotovila nov vpogled v to, kako voda in temperatura vplivata na te materiale.

Brezplačni poskusi na ALS in na Argonnovem naprednem fotonskem viru, sinhrotronu, ki je specializiran za drugačen obseg rentgenskih žarkov, je med temperaturnimi spremembami podrobno predstavil izhlapevanje vode, kondenzacijo in distribucijo v celici.

"ALS je potreboval, da razišče fiziko tega, " je povedal Weber, "da lahko to primerjamo s teoretičnimi modeli in sčasoma optimiziramo proces upravljanja z vodo in s tem celično učinkovitost, " je dejal Weber.

Poskusi so bili osredotočeni na povprečne temperature v razponu od 95 do 122 stopinj Celzija, s temperaturnimi spremembami od 60 do 80 stopinj (vroče do hladnejše) v celici. Meritve so bile opravljene v približno štirih urah. Rezultati so zagotovili ključne informacije za validacijo modelov vode in toplote, ki podrobno opisujejo delovanje gorivne celice.

Ta testna celica je vključevala vročo stran, ki je pokazala, kako voda na mestu kemičnih reakcij izhlapi, in hladnejša stran, ki prikazuje, kako se vodna para kondenzira in prevaža večino gibanja vode v celici.

Medtem ko je toplotna prevodnost plasti ogljikovih vlaken - njihova zmožnost prenosa toplote - rahlo zmanjšala, ko se je vsebnost vlage zmanjšala, je študija pokazala, da je tudi najmanjša stopnja nasičenosti skorajda podvojila toplotno prevodnost popolnoma suhega sloja ogljikovih vlaken. Zdi se, da je izhlapevanje vode v celici dramatično naraslo pri približno 120 stopinj Celzija, so ugotovili raziskovalci.

Poskusi so pokazali, da je voda porazdeljena z natančnostjo več kot milijon metrov in predlagala, da vodni promet v veliki meri vodita dva procesa: delovanje gorivne celice in čiščenje vode iz celice.

Študija je pokazala, da večji vodni grozdi izhlapevajo hitreje kot manjši grozdi. Študija je tudi pokazala, da oblika vodnih gruč v gorivnih celicah ponavadi spominja na sploščene krogle, medtem ko so praznine, ki se pojavljajo v slojih ogljikovih vlaken, ponekod nekoliko oblikovane v nogometu.

Obstajajo tudi nekatere tekoče študije, je dejal Weber, da uporablja tehniko slikanja na podlagi rentgenskih žarkov, da pogleda v celoto podskalične gorivne celice naenkrat.

"Obstajajo načini za združitev slikanja, tako da dobite veliko večje vidno polje, " je dejal. Ta proces se ovrednoti kot način, kako najti izvornih mest za napake v celicah s slikanjem pred in po testiranju. Tipična delujoča gorivna celica meri okoli 50 kvadratnih centimetrov, je dodal.

menu
menu