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Distribuzione dell’acqua nelle celle a combustibile resa visibile in 4D

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Questa sequenza mostra come il volume d’acqua negli strati funzionali (verde) si sviluppa nel tempo durante l’avvio della cella a combustibile. L’acqua aumenta fino a raggiungere uno stato di equilibrio tra accumulo e degrado dell’acqua. Credito: HZB

I team di Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) e University College London (UCL) hanno visualizzato per la prima volta la distribuzione dell’acqua in una cella a combustibile in tre dimensioni e in tempo reale, valutando i dati sui neutroni del reattore sperimentale di Berlino spento nel 2019. L’analisi apre nuove possibilità per celle a combustibile più efficienti e quindi più convenienti.

“In una cella a combustibile, idrogeno e ossigeno vengono combinati per formare acqua. Questo produce energia elettrica”, spiega Ralf Ziesche del gruppo di imaging di HZB. “Probabilmente il componente più importante all’interno della cella a combustibile è la membrana”. È spesso solo circa 20 micrometri (la metà di un capello umano) ed è collegato con vari strati funzionali per formare un’area di separazione larga circa 600 micrometri all’interno della cella a combustibile.

“La membrana composita strappa gli elettroni dagli atomi di idrogeno. Solo i nuclei di idrogeno, i protoni, possono passare attraverso la membrana”. Gli elettroni, invece, defluiscono tramite un collegamento elettrico e vengono utilizzati come corrente elettrica. L’aria viene fatta entrare dall’altro lato del muro di separazione. L’ossigeno che contiene reagisce con i protoni che passano attraverso la membrana e gli elettroni che rifluiscono dall’altro lato del circuito elettrico. Viene prodotta acqua pura.

La funzione dei canali

“Una parte dell’acqua viene scaricata. Un’altra parte deve rimanere nella cella a combustibile, perché la membrana non deve asciugarsi”, spiega Ralf Ziesche. “Ma se contiene troppa acqua, i protoni non possono più penetrare nella membrana. In questi punti si sviluppano aree morte e la reazione non può più aver luogo lì. L’efficienza dell’intera cella a combustibile diminuisce”.

Per consentire all’idrogeno, all’aria e all’acqua di fluire dentro e fuori, minuscoli canali vengono fresati in piastre metalliche su entrambi i lati della membrana. Questi canali possono essere utilizzati per ottimizzare le celle a combustibile e aumentare l’efficienza. Pertanto, il design del canale è la chiave per una bagnatura cellulare equilibrata e un’efficienza ottimale.

Neutroni per il rilevamento dell’acqua

Per fare ciò, è vantaggioso avere un quadro il più accurato possibile della distribuzione dell’acqua all’interno dei canali. Questo era l’obiettivo di una collaborazione tra il gruppo di ricerca dell’Electrochemical Innovation Lab (EIL) dell’University College London (UCL) e HZB.

“In linea di principio, abbiamo sottoposto la cella a combustibile alla tomografia computerizzata, poiché viene utilizzata in medicina”, spiega Nikolay Kardjilov del gruppo di imaging di HZB. Ma mentre i raggi X sono usati per le analisi mediche, Nikolay Kardjilov e il suo team hanno preferito usare la radiazione di neutroni. “Perché i raggi X forniscono un contrasto dell’immagine troppo basso tra idrogeno e acqua da un lato e la struttura metallica dall’altro. I neutroni, d’altra parte, sono l’ideale qui”.

Distribuzione dell'acqua nella cella a combustibile resa visibile in 4D

La cella a combustibile (grigia) ruota attorno al suo asse longitudinale durante la tomografia. I dati mostrano come il volume d’acqua aumenta negli strati funzionali (verde) e nei canali durante il funzionamento della cella. Nei canali dell’anodo (rosso) si forma meno acqua che nel catodo (blu). Credito: © HZB

Cella a combustibile rotante

Questo è stato piuttosto complicato. Perché per ottenere un’immagine tridimensionale, la sorgente di radiazione deve girare intorno all’oggetto da riprendere. In medicina, questo è abbastanza facile da risolvere. Lì, la sorgente di radiazioni e lo scanner ruotano attorno al paziente, che riposa su un tavolo.

“Ma la nostra fonte di radiazioni era il reattore sperimentale di Berlino BER II, dove avevamo installato la nostra stazione di imaging CONRAD. E non possiamo semplicemente ruotarla attorno al nostro campione di celle a combustibile”, afferma Nikolay Kardjilov. Ma con un trucco ingegneristico, il suo team è riuscito a spostare la cella a combustibile, comprese le linee di alimentazione per l’idrogeno e l’aria, la linea di scarico per l’acqua ei cavi elettrici, nel fascio di neutroni. “Finora, l’imaging dei neutroni è stato in grado di produrre immagini bidimensionali solo dall’interno della cella a combustibile. Ora, per la prima volta, abbiamo anche reso visibile la distribuzione dell’acqua in tre dimensioni e in tempo reale”, afferma il fisico lieto di segnalare.

La ricerca è stata pubblicata in Comunicazioni Natura.


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