La distribución del agua en la pila de combustible se hace visible en 4D
El análisis abre nuevas posibilidades para que las pilas de combustible sean más eficientes y, por tanto, más rentables
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Equipos del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) y del University College London (UCL) han visualizado por primera vez la distribución del agua en una pila de combustible en tres dimensiones y en tiempo real mediante la evaluación de los datos de neutrones del Reactor Experimental de Berlín apagado en 2019. El análisis abre nuevas posibilidades para conseguir pilas de combustible más eficientes y, por tanto, más rentables.
La pila de combustible (gris) gira alrededor de su eje longitudinal durante la tomografía. Los datos muestran cómo aumenta el volumen de agua en las capas funcionales (verde) y en los canales durante el funcionamiento de la pila. Se forma menos agua en los canales del ánodo (rojo) que en el cátodo (azul).
© HZB
"En una pila de combustible, el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua. Esto produce energía eléctrica", explica Ralf Ziesche, del grupo de imágenes del HZB. "Probablemente, el componente más importante dentro de la pila de combustible es la membrana". Sólo tiene unos 20 micrómetros de grosor (la mitad de la anchura de un cabello humano) y está conectada con varias capas funcionales para formar una zona de separación de unos 600 micrómetros de ancho dentro de la pila de combustible.
"El compuesto de la membrana arrebata los electrones a los átomos de hidrógeno. Sólo los núcleos de hidrógeno -los protones- pueden atravesar la membrana". Los electrones, en cambio, salen por una conexión eléctrica y se utilizan como corriente eléctrica. El aire entra por el otro lado de la pared de separación. El oxígeno que contiene reacciona con los protones que atraviesan la membrana y los electrones que vuelven a fluir desde el otro lado del circuito eléctrico. Se produce agua pura.
La función de los canales
"Una parte del agua se descarga. Otra parte debe permanecer en la pila de combustible, porque la membrana no debe secarse", explica Ralf Ziesche. "Pero si hay demasiada agua, los protones ya no pueden penetrar en la membrana. En estos puntos se crean zonas muertas y la reacción ya no puede tener lugar allí. La eficacia de toda la pila de combustible disminuye". Para que el hidrógeno, el aire y el agua puedan entrar y salir, se fresan pequeños canales en las placas metálicas de ambos lados de la membrana. Estos canales pueden utilizarse para optimizar las pilas de combustible y aumentar su eficacia. En este caso, el diseño de los canales es la clave para una humectación equilibrada de la pila y una eficiencia óptima.
Neutrones para la detección de agua
Para ello, es ventajoso tener una imagen lo más precisa posible de la distribución del agua dentro de los canales. Este era el objetivo de la colaboración entre el grupo de investigación del Laboratorio de Innovación Electroquímica (EIL) del University College London (UCL) y HZB. "En principio, sometimos la pila de combustible a una tomografía computarizada, tal y como se utiliza en medicina", explica Nikolay Kardjilov, del grupo de imagen del HZB. Pero mientras que los rayos X se utilizan para los análisis médicos, Nikolay Kardjilov y su equipo prefirieron utilizar la radiación de neutrones. "Porque los rayos X proporcionan un contraste de imagen demasiado bajo entre el hidrógeno y el agua por un lado y la estructura metálica por otro. Los neutrones, en cambio, son ideales en este caso".
Pila de combustible giratoria
Esto fue bastante complicado. Porque para obtener una imagen tridimensional, la fuente de radiación tiene que rodear el objeto a fotografiar. En medicina, esto es bastante fácil de resolver. Allí, la fuente de radiación y el escáner giran alrededor del paciente, que descansa en una mesa. "Pero nuestra fuente de radiación era el Reactor Experimental de Berlín BER II, donde habíamos instalado nuestra estación de imágenes CONRAD. Y no podemos simplemente girarla alrededor de nuestra muestra de células de combustible", dice Nikolay Kardjilov. Pero con un truco de ingeniería, su equipo consiguió mover la pila de combustible, incluyendo las líneas de suministro de hidrógeno y aire, la línea de descarga de agua y los cables eléctricos, hacia el haz de neutrones. "Hasta ahora, las imágenes de neutrones sólo podían producir imágenes bidimensionales del interior de la pila de combustible. Ahora, por primera vez, también hemos conseguido que la distribución del agua sea visible en tres dimensiones y en tiempo real", se congratula el físico. El BER II está parado desde finales de 2019. Pero el trabajo continuará como parte del grupo de investigación conjunto "NI-Matters" entre HZB, el Instituto Laue-Langevin (ILL, Francia) y la Universidad de Grenoble (Francia).
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
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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