Som en välskött växthusträdgård, en specialiserad typ av vätebränslecell - som visar lovande som en ren, förnybar nästa generations kraftkälla för fordon och andra användningsområden - kräver exakta temperatur- och fuktkontroller för att vara som bäst. Om de inre förhållandena är för torra eller för blöta, bränslecellen fungerar inte bra.

Men att se inuti en fungerande bränslecell i de små skalorna som är relevanta för en bränslecells kemi och fysik är utmanande, så forskare använde röntgenbaserade avbildningstekniker vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Argonne National Laboratory för att studera det inre arbetet hos bränslecellskomponenter utsatta för en rad temperatur- och fuktförhållanden.

Forskargruppen, ledd av Iryna Zenyuk, en före detta Berkeley Lab postdoktor nu vid Tufts University, inkluderade forskare från Berkeley Labs division för energilagring och distribuerade resurser och Advanced Light Source (ALS), en röntgenkälla känd som en synkrotron.

ALS låter forskare ta bilder i 3D med hög upplösning mycket snabbt, så att de kan titta in i fungerande bränsleceller under verkliga förhållanden. Teamet skapade en testbädd för att efterlikna temperaturförhållandena för en fungerande polymer-elektrolytbränslecell som matas med väte och syrgas och producerar vatten som en biprodukt.

"Vattenhanteringen och temperaturen är avgörande, sa Adam Weber, en anställd forskare inom Energy Technologies Area vid Berkeley Lab och biträdande chef för en forskningsinsats för bränsleceller med flera laboratorier, Fuel Cell Consortium for Performance and Durability (FC-PAD).

Studien har publicerats online i tidskriften Electrochemica Acta .

Forskningen syftar till att hitta rätt balans mellan luftfuktighet och temperatur i cellen, och hur vatten rör sig ut ur cellen.

Styr hur och var vattenånga kondenserar i en cell, till exempel, är kritisk så att den inte blockerar inkommande gaser som underlättar kemiska reaktioner.

"Vatten, om du inte tar bort det, kan täcka katalysatorn och förhindra syre från att nå reaktionsställena, " sa Weber. Men det måste finnas viss fuktighet för att säkerställa att det centrala membranet i cellen effektivt kan leda joner.

Forskargruppen använde en röntgenteknik som kallas mikroröntgendatortomografi för att spela in 3D-bilder av en provbränslecell som mäter cirka 3 till 4 millimeter i diameter.

"ALS låter oss ta bilder i 3D med hög upplösning mycket snabbt, låter oss titta in i fungerande bränsleceller under verkliga förhållanden, sa Dula Parkinson, en forskare vid ALS som deltog i studien.

Provcellen inkluderade tunna kolfiberlager, kända som gasdiffusionsskikt, som i en arbetscell sandwich ett centralt polymerbaserat membran belagt med katalysatorskikt på båda sidor. Dessa gasdiffusionslager hjälper till att fördela reaktantkemikalierna och avlägsnar sedan produkterna från reaktionerna.

Weber sa att studien använde material som är relevanta för kommersiella bränsleceller. Vissa tidigare studier har undersökt hur vatten sugs igenom och avges från bränslecellsmaterial, och den nya studien lade till exakta temperaturkontroller och mätningar för att ge ny insikt om hur vatten och temperatur interagerar i dessa material.

Gratis experiment vid ALS och Argonnes Advanced Photon Source, en synkrotron som är specialiserad på ett annat spektrum av röntgenenergier, tillhandahållit detaljerade bilder av vattenavdunstning, kondensation, och distribution i cellen under temperaturförändringar.

"Det krävdes ALS för att utforska fysiken i detta, sa Weber, "så vi kan jämföra detta med teoretiska modeller och så småningom optimera vattenhanteringsprocessen och därmed cellprestanda, sa Weber.

Experimenten fokuserade på medeltemperaturer från cirka 95 till 122 grader Fahrenheit, med temperaturvariationer på 60 till 80 grader (varma till kallare) i cellen. Mätningar gjordes under cirka fyra timmar. Resultaten gav nyckelinformation för att validera vatten- och värmemodeller som beskriver bränslecellens funktion.

Denna testcell inkluderade en varm sida utformad för att visa hur vatten avdunstar vid platsen för de kemiska reaktionerna, och en svalare sida för att visa hur vattenånga kondenserar och driver huvuddelen av vattenrörelsen i cellen.

Medan den termiska ledningsförmågan hos kolfiberskikten - deras förmåga att överföra värmeenergi - minskade något när fukthalten minskade, studien fann att även den minsta grad av mättnad producerade nästan dubbelt så hög värmeledningsförmåga som ett helt torrt kolfiberlager. Vattenavdunstning i cellen verkar dramatiskt öka vid cirka 120 grader Fahrenheit, forskare hittade.

Experimenten visade vattenfördelning med miljondelsmeters precision, och föreslog att vattentransport till stor del drivs av två processer:driften av bränslecellen och rening av vatten från cellen.

Studien fann att större vattenkluster avdunstar snabbare än mindre kluster. Studien fann också att formen på vattenkluster i bränslecellen tenderar att likna tillplattade sfärer, medan tomrum som avbildas i kolfiberskikten tenderar att vara något fotbollsformade.

Det pågår också några studier, Weber sa, att använda den röntgenbaserade avbildningstekniken för att titta in i en bränslecell i full skala en sektion i taget.

"Det finns sätt att sy ihop bilden så att du får ett mycket större synfält, " 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, han lade till.