Результаты ученых PSI будут опубликованы в журнале Physical Review Letters 16 июня 2014 г.
Водородные топливные элементы могут сделать индивидуальную мобильность будущего более экологически чистой.
В ячейках водород расщепляется как «топливо», которое электрохимически реагирует с кислородом и производит электрический ток. Единственные побочные продукты – тепло и вода. Последнее, однако, может представлять проблему для энергоблоков на топливных элементах в реальных приложениях: в более холодном климате вода может замерзнуть при выключении энергоблока и повлиять на производительность. Теперь, впервые, новый проект исследователей PSI позволяет непосредственно наблюдать за распределением льда и воды в топливном элементе, что открывает новую возможность более эффективно изучать проблему образования льда и оптимизировать ее решение.
Проблема льдообразования
Лед может накапливаться в пористой структуре электродов топливного элемента.
Лед ухудшает работу элемента, забивая поры, которые позволяют кислороду проходить к положительному электроду (катоду). Если кислород не достигает катода, электрохимические реакции, во время которых элемент вырабатывает электричество, больше не могут происходить. Следовательно, напряжение в ячейке падает, и она перестает подавать питание.
Пористая структура электрода также позволяет воде вытекать из топливного элемента.
Жидкость, которая остается после операции, может замерзнуть, например, в течение ночи. Поскольку лед занимает больший объем, чем жидкая вода, образование льда может вызвать механическое повреждение компонентов клетки.
Измерение с использованием двух разных спектров
Отображение воды с помощью нейтронов использует тот факт, что нейтроны сильно рассеиваются (отклоняются) атомами водорода.
Таким образом, интенсивность направленного нейтронного пучка значительно снижается, если он пересекает среду с большим количеством водорода. Благодаря новому методу нейтронной рентгенографии с двойным спектром степень этого ослабления зависит от кинетической энергии молекул воды.
В замороженном состоянии кинетическая энергия намного ниже, чем в жидком состоянии, что позволяет отличить жидкую воду от льда. Если бы кто-то хотел различать воду и лед в обычном нейтронном эксперименте, нужно было бы знать толщину исследуемого слоя воды заранее. Однако в топливных элементах это обычно невозможно.
Исследователи нашли альтернативу: они измерили свои образцы двумя нейтронными пучками.
Новый метод визуализации позволяет исследователям сравнить, как два нейтронных пучка с разными энергетическими спектрами нейтронов ослабляются молекулами воды. Один из этих лучей был отфильтрован так, что он содержал только нейтроны с низкими энергиями.
Второй пучок, однако, остался в исходном виде со всем спектром нейтронов. Пропорции жидкой воды и льда в ячейке извлекаются из отношения ослабления двух лучей, без необходимости заранее знать толщину слоя воды. Действительно, коэффициент ослабления зависит исключительно от разной силы, с которой жидкая вода и лед отклоняют нейтроны. Следовательно, агрегатное состояние воды можно определить, сравнивая измерения с фильтрованным и нефильтрованным пучком нейтронов.
Обнаружена переохлажденная вода
Проведя измерения на канале пучка нейтронов ICON на собственном источнике нейтронов SINQ PSI, исследователи PSI не только смогли составить карту распределения воды и льда в топливном элементе; им также удалось найти прямые доказательства старой гипотезы о поведении воды в топливных элементах: а именно, что вода может присутствовать в топливных элементах в переохлажденном состоянии.
Переохлаждение означает, что вода не замерзает даже ниже нуля градусов по Цельсию. Благодаря прямой визуализации авторам нового исследования удалось продемонстрировать, что вода в ячейке частично оставалась в жидком состоянии при температурах до минус 7.5 градусов. «Доказательства наличия переохлажденной воды в топливных элементах важны не только с теоретической точки зрения», – говорит Томас Юстус Шмидт, руководитель лаборатории электрохимии и соавтор исследования. "Для практического применения также полезно знать, что у вас есть температурный запас, при котором вам не нужно беспокоиться о льдообразовании."