Dreidimensional und in Echtzeit: Wasserverteilung in einer Brennstoffzelle

Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin und des University College London haben zum ersten Mal die Wasser­ver­teilung in einer Brenn­stoff­zelle drei­dimen­sional und in Echtzeit visualisiert. Dafür werteten sie Messdaten aus, die an der Neutronen­quelle BER II am HZB gewonnen wurden. Die Analyse öffnet neue Möglich­keiten zu effi­zi­enteren und damit kosten­günstigeren Brenn­stoff­zellen.

„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 etwa zwanzig Mikrometern ist diese Membran etwa halb so dick wie ein menschliches Haar, sie wird mit verschiedenen funktionalen Schichten zu einem etwa sechs­hundert 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.

„Ein Teil des Wassers wird abgeführt. Ein anderer Teil muss in der Brenn­stoff­zelle bleiben, denn die Membran darf nicht austrocknen“, erklärt 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.

Dafür ist es von Vorteil, ein möglichst genaues Bild der Wasser­ver­teilung innerhalb der Kanäle zu haben. Das war das Ziel des Teams. „Im Prinzip haben wir die Brenn­stoff­zelle einer Computer­tomografie unterzogen, wie sie auch in der Medizin angewendet wird“, erklärt Nikolay Kardjilov vom HZB. Doch während man für medizinische Analysen Röntgenlicht nutzt, griffen Kardjilov und seine Kollegen 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.“

Damit standen die Forscher 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 Neutronen­quelle BER II, wo wir unsere Tomographie­station CONRAD aufgebaut hatten. Und diese Neutronen­quelle können wir nicht einfach um die Brenn­stoff­zelle drehen“, sagt 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 sichtbar gemacht“, freut sich der Forscher.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. F. Ziesche et al.: High-speed 4D neutron computed tomography for quantifying water dynamics in polymer electrolyte fuel cells, Nat. Commun. 13, 1616 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-29313-5
• Komplementäre Untersuchungen von Brennstoffzellen mit Synchrotronstrahlung und Neutronen, Institut angewandte Materialforschung, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH