Como uma estufa bem cuidada, um tipo especializado de célula de combustível de hidrogênio - que se mostra promissora como uma célula limpa, fonte de energia renovável de próxima geração para veículos e outros usos - requer controles precisos de temperatura e umidade para estar no seu melhor. Se as condições internas forem muito secas ou muito úmidas, a célula de combustível não funcionará bem.

Mas ver o interior de uma célula de combustível em funcionamento em escalas minúsculas relevantes para a química e a física de uma célula de combustível é um desafio, portanto, os cientistas usaram técnicas de imagem baseadas em raios X no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e no Laboratório Nacional Argonne para estudar o funcionamento interno dos componentes da célula a combustível sujeitos a uma variedade de condições de temperatura e umidade.

A equipe de pesquisa, liderado por Iryna Zenyuk, um ex-pesquisador de pós-doutorado do Berkeley Lab agora na Tufts University, incluíram cientistas da Divisão de Armazenamento de Energia e Recursos Distribuídos do Berkeley Lab e da Advanced Light Source (ALS), uma fonte de raios-X conhecida como síncrotron.

O ALS permite aos pesquisadores criar imagens em 3-D em alta resolução muito rapidamente, permitindo que eles olhem dentro das células de combustível em funcionamento em condições do mundo real. A equipe criou uma bancada de teste para simular as condições de temperatura de uma célula de combustível de eletrólito-polímero que é alimentada com gases de hidrogênio e oxigênio e produz água como subproduto.

“A gestão da água e a temperatura são críticas, "disse Adam Weber, um cientista da equipe na área de tecnologias de energia no Berkeley Lab e vice-diretor de um esforço de pesquisa de células de combustível de vários laboratórios, o Consórcio de Células de Combustível para Desempenho e Durabilidade (FC-PAD).

O estudo foi publicado online na revista Electrochimica Acta .

A pesquisa visa encontrar o equilíbrio certo de umidade e temperatura dentro da célula, e como a água sai da célula.

Controlar como e onde o vapor de água se condensa em uma célula, por exemplo, é fundamental para que não bloqueie os gases de entrada que facilitam as reações químicas.

"Água, se você não removê-lo, pode cobrir o catalisador e evitar que o oxigênio alcance os locais de reação, ", Disse Weber. Mas é preciso haver um pouco de umidade para garantir que a membrana central da célula possa conduzir íons com eficiência.

A equipe de pesquisa usou uma técnica de raios-X conhecida como micro tomografia computadorizada de raios-X para gravar imagens 3-D de uma célula de combustível de amostra medindo cerca de 3 a 4 milímetros de diâmetro.

"O ALS nos permite imagens em 3-D em alta resolução muito rapidamente, permitindo-nos olhar para dentro das células de combustível em funcionamento em condições do mundo real, "disse Dula Parkinson, um cientista pesquisador da ALS que participou do estudo.

A célula de amostra incluiu camadas finas de fibra de carbono, conhecidas como camadas de difusão de gás, que em uma célula de trabalho sanduíche uma membrana central à base de polímero revestida com camadas de catalisador em ambos os lados. Essas camadas de difusão de gás ajudam a distribuir os reagentes químicos e, em seguida, a remover os produtos das reações.

Weber disse que o estudo usou materiais relevantes para células a combustível comerciais. Alguns estudos anteriores exploraram como a água penetra e é eliminada de materiais de células de combustível, e o novo estudo adicionou controles de temperatura e medições precisas para fornecer uma nova visão sobre como a água e a temperatura interagem nesses materiais.

Experimentos complementares no ALS e na Fonte Avançada de Fótons de Argonne, um síncrotron especializado em uma gama diferente de energias de raios-X, forneceu vistas detalhadas da evaporação da água, condensação, e distribuição na célula durante as mudanças de temperatura.

"Foi necessário que o ALS explorasse a física disso, "Weber disse, "para que possamos comparar isso com modelos teóricos e, eventualmente, otimizar o processo de gestão da água e, portanto, o desempenho da célula, "Weber disse.

Os experimentos se concentraram em temperaturas médias que variam de cerca de 95 a 122 graus Fahrenheit, com variações de temperatura de 60 a 80 graus (mais quente para mais frio) dentro da célula. As medições foram feitas ao longo de cerca de quatro horas. Os resultados forneceram informações importantes para validar modelos de água e calor que detalham a função da célula de combustível.

Esta célula de teste incluiu um lado quente projetado para mostrar como a água evapora no local das reações químicas, e um lado mais frio para mostrar como o vapor de água se condensa e impulsiona a maior parte do movimento da água na célula.

Enquanto a condutividade térmica das camadas de fibra de carbono - sua capacidade de transferir energia térmica - diminuiu ligeiramente à medida que o teor de umidade diminuiu, o estudo descobriu que mesmo o menor grau de saturação produzia quase o dobro da condutividade térmica de uma camada de fibra de carbono completamente seca. A evaporação da água dentro da célula parece aumentar drasticamente a cerca de 120 graus Fahrenheit, pesquisadores encontrados.

Os experimentos mostraram distribuição de água com precisão de milionésimos de metro, e sugeriu que o transporte de água é amplamente impulsionado por dois processos:a operação da célula de combustível e a purga da água da célula.

O estudo descobriu que aglomerados de água maiores evaporam mais rapidamente do que aglomerados menores. The study also found that the shape of water clusters in the fuel cell tend to resemble flattened spheres, while voids imaged in the carbon-fiber layers tend to be somewhat football-shaped.

There are also some ongoing studies, Weber said, to use the X-ray-based imaging technique to look inside a full subscale fuel cell one section at a time.

"There are ways to stitch together the imaging so that you get a much larger field of view, " 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, ele adicionou.