Wasserfluss in laufender Brennstoffzelle sichtbar gemacht
Wissenschaftlern des Berliner Hahn-Meitner-Instituts (HMI) und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) gelingt ein einzigartiger Blick in Brennstoffzellen. Obwohl eine Brennstoffzelle aus vielen Schichten undurchsichtiger Materialien besteht und von einem dichten Metallgehäuse umgeben ist, können die Forscher mit ihren neu entwickelten Methoden unmittelbar verfolgen, wie Wasser im Inneren der Brennstoffzelle entsteht und abfließt. Die Bilder helfen, das "Wassermanagement" von Brennstoffzellen zu verstehen und dadurch die Zellen zu optimieren.
Tomogramm einer mit Neutronen durchleuchteten Brennstoffzelle. Durch die waagerechten Kanäle fließt das in der Zelle entstehende Wasser ab. In den dunkler dargestellten Kanälen befindet sich gerade Wasser. Tomogramm einer mit Neutronen durchleuchteten Brennstoffzelle. Durch die waagerechten Kanäle fließt das in der Zelle entstehende Wasser ab. In den dunkler dargestellten Kanälen befindet sich gerade Wasser.
HMI
Zwei Verfahren ermöglichen den Forschern die Einblicke: Mit Synchrotronradiographie sehen sie Tausendstel Millimeter große Details. Mit dieser Methode konnten Ingo Manke (HMI) und Christoph Hartnig (ZSW) als erste beobachten, wie einzelne Wassertröpfchen in einer Brennstoffzelle entstehen. Die Neutronentomographie macht es möglich, die Wasserverteilung in einer kompletten Brennstoffzelle dreidimensional darzustellen. Die Ergebnisse wurden in zwei Artikeln in der Zeitschrift Applied Physics Letters vorgestellt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat kürzlich bekannt gegeben, das Projekt, das von HMI und ZSW zusammen mit vier weiteren Partnern weiterbetrieben wird, mit 2 Millionen Euro zu fördern.
In ihrer Arbeit profitierten die Forscher von den besonderen Eigenschaften von Synchrotronstrahlung und Neutronen. Mit Hilfe von Synchrotronstrahlung kann man detailreiche Durchleuchtungsbilder auch von massiven Objekten erhalten. Erzeugt werden die Synchrotronstrahlen an der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY in Berlin-Adlershof.
Bei den Neutronenexperimenten nutzen die Forscher aus, dass Metalle für Neutronen praktisch durchsichtig sind; wasserstoffhaltige Substanzen schwächen den Neutronenstrahl jedoch stark ab - Wasser wird damit hinter dem Metall deutlich sichtbar. Um ein dreidimensionales Bild des Wassers zu erzeugen, mussten die Forscher die Brennstoffzelle aus mehreren hundert Richtungen mit Neutronen beschießen, so dass ein Computerprogramm aus den zweidimensionalen Bildern die dreidimensionale Wasserverteilung berechnen konnte. Um das möglich zu machen, haben Ingo Manke und Christoph Hartnig ein Verfahren entwickelt, mit dem man die Wasserverteilung in der Zelle für mehrere Stunden unverändert halten kann. Die Neutronenexperimente wurden am Forschungsreaktor des Hahn-Meitner-Instituts in Berlin-Wannsee durchgeführt.
Seit mehreren Jahren untersuchen Forscher von ZSW und HMI gemeinsam Brennstoffzellen mit Neutronen und Synchrotronstrahlung. Das ZSW bringt in dem Projekt seine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Brennstoffzellenentwicklung ein. Die Untersuchungen werden an den Tomographieanlagen des Berliner Hahn-Meitner-Instituts durchgeführt, die in vielfältiger Weise an die Bedürfnisse der Brennstoffzellen-Versuche angepasst werden.
Originalveröffentlichungen: I. Manke, Ch. Hartnig et al. Applied Physics Letters 90, 184101 (2007)
I. Manke, Ch. Hartnig et al. Applied Physics Letters 90, 174105 (2007)
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