Wasserverteilung in der Brennstoffzelle in 4D sichtbar gemacht
Analyse öffnet neue Möglichkeiten zu effizienteren und damit kostengünstigeren Brennstoffzellen
Teams aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und dem University College London (UCL) haben zum ersten Mal die Wasserverteilung in einer Brennstoffzelle dreidimensional und in Echtzeit visualisiert. Dafür werteten sie Messdaten aus, die noch an der Neutronenquelle BER II am HZB gewonnen wurden. Die Analyse öffnet neue Möglichkeiten zu effizienteren und damit kostengünstigeren Brennstoffzellen.
Die Brennstoffzelle (grau) dreht sich während der Aufnahme um ihre Längsachse. Aus den Messdaten wird ersichtlich, wie das Wasservolumen während des Zellbetriebs in den Funktionsschichten (grün) und Kanälen anwächst. In den Anodenkanälen (rot) bildet sich weniger Wasser als in der Kathode (blau).
© HZB
„In einer Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser kombiniert. Dabei entsteht elektrische Energie“, erklärt Ralf Ziesche von der Imaging-Gruppe des HZB. „Das wohl wichtigste Bauteil innerhalb der Brennstoffzelle ist eine Membran.“ Mit zirka 20 Mikrometern ist diese Membran etwa halb so dick wie ein menschliches Haar, sie wird mit verschiedenen funktionalen Schichten zu einem etwa 600 Mikrometer breiten Trennbereich innerhalb der Brennstoffzelle verbunden.
„Der Membranverbund entreißt den Wasserstoffatomen die Elektronen. Nur die Wasserstoffkerne, also die Protonen – können die Membran passieren.“ Die Elektronen hingegen fließen über einen elektrischen Anschluss ab und werden als elektrischer Strom genutzt. Auf der anderen Seite der Trennwand wird Luft eingelassen. Der darin enthaltene Sauerstoff reagiert mit den Protonen, die durch die Membran kommen, und den Elektronen, die von der anderen Seite des Stromkreises zurückfließen. Es entsteht reines Wasser.
Kanäle sind entscheidend
„Ein Teil des Wassers wird abgeführt. Ein anderer Teil muss in der Brennstoffzelle bleiben, denn die Membran darf nicht austrocknen“, erklärt Ralf Ziesche. „Ist aber zu viel Wasser drin, können die Protonen nicht mehr die Membran durchdringen. An diesen Stellen entstehen tote Bereiche, die Reaktion kann dort nicht mehr ablaufen. Die Effizienz der gesamten Brennstoffzelle sinkt.“ Damit Wasserstoff, Luft und Wasser zu- und abfließen können, sind winzigste Kanäle in Metallplatten zu beiden Seiten der Membran gefräst. Diese Kanäle können optimiert werden, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzellen zu erhöhen.
Neutronen statt Röntgenlicht
Dafür ist es von Vorteil, ein möglichst genaues Bild der Wasserverteilung innerhalb der Kanäle zu haben. Dies war das Ziel einer Zusammenarbeit zwischen der Forschungsgruppe vom Electrochemical Innovation Lab (EIL) des University College London (UCL) und des HZB. „Im Prinzip haben wir die Brennstoffzelle einer Computertomografie unterzogen, wie sie auch in der Medizin angewendet wird“, erklärt Nikolay Kardjilov ebenfalls von der Imaging-Gruppe des HZB. Doch während man für medizinische Analysen Röntgenlicht nutzt, griffen Nikolay Kardjilov und sein Team lieber auf Neutronenstrahlung zurück. „Röntgenstrahlen liefern einen viel zu niedrigen Bildkontrast zwischen Wasserstoff und Wasser auf der einen Seite und der Metallstruktur auf der anderen. Neutronen wiederum sind hier ideal.“
3D Abbildung durch Drehung der Brennstoffzelle
Damit standen sie jedoch vor einigen Herausforderungen. Denn um ein dreidimensionales Bild zu erhalten, muss die Strahlungsquelle das abzubildende Objekt umrunden. In der Medizin ist das recht einfach lösbar. Da drehen sich Strahlungsquelle und Scanner um den Patienten, der auf einem Tisch ruht. „Unsere Strahlungsquelle war aber die Berliner Neutronenquelle BER II, wo wir unsere Tomographiestation CONRAD aufgebaut hatten. Und diese Neutronenquelle können wir nicht einfach um die Brennstoffzelle drehen“, sagt Nikolay Kardjilov. Sein Team hat es aber geschafft, die Brennstoffzelle im Neutronenstrahl zu drehen, und zwar samt Zuleitungen für Wasserstoff und Luft, Ableitungen für Wasser und Elektrokabeln. „Bisher waren mit der Neutronenbildgebung nur zweidimensionale Abbildungen aus dem Inneren der Brennstoffzelle gelungen. Jetzt haben wir zum allerersten Mal die Wasserverteilung auch dreidimensional und in Echtzeit, also insgesamt 4D, sichtbar gemacht“, freut sich der Physiker. Seit Ende 2019 ist die Neutronenquelle BER II planmäßig abgeschaltet. Die Arbeiten werden jetzt im Rahmen der gemeinsamen Forschungsgruppe „NI-Matters“ zwischen dem HZB, dem Institut Laue-Langevin und der Universität Grenoble (Frankreich) fortgeführt.
Originalveröffentlichung
Ralf F. Ziesche, Jennifer Hack, Lara Rasha, Maximilian Maier, Chun Tan, Thomas M. M. Heenan, Henning Markötter, Nikolay Kardjilov, Ingo Manke, Winfried Kockelmann, Dan J. L. Brett & Paul R. Shearing; High-speed 4D neutron computed tomography for quantifying water dynamics in polymer electrolyte fuel cells; Nature Communications (2022)
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