Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eis in Brennstoffzellen erstmals direkt sichtbar gemacht

16.06.2014

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI haben mit Hilfe einer neuartigen Methode erstmals die Verteilung von Eis und flüssigem Wasser in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle direkt abgebildet.

Die neue Bildgebungstechnik verwendet zwei Strahlen mit unterschiedlicher Neutronenenergie, um Bereiche mit flüssigem Wasser von solchen mit Eis mit hoher Zuverlässigkeit zu unterscheiden. Die Methode eröffnet somit die Perspektive, eines der wichtigsten Probleme bei der Anwendung von Brennstoffzellen als Fahrzeugantrieb zu untersuchen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die PSI-Wissenschaftler am 16.6.2014 im Journal Physical Review Letters.


Räumliche Verteilung von Eis und Wasser in einer zylindrischen Wassersäule, wie sie in der vorliegenden Studie mit der neuen Neutronenbildgebungstechnik gemessen wurde. Rot: nur Eis vorhanden

Bild: American Physical Society

Wasserstoff-Brennstoffzellen haben das Potenzial, die individuelle Mobilität der Zukunft umweltfreundlicher zu machen. In den Zellen wird Wasserstoff als „Brennstoff“ aufgespalten, der elektrochemisch mit Sauerstoff reagiert – dabei entsteht elektrischer Strom. Als Nebenprodukte fallen nur Wärme und Wasser an. Doch gerade Letzteres, das Wasser, kann für Brennstoffzellen-Antriebe in der Praxis ein Problem darstellen. In kälteren Klimaregionen kann das Wasser nämlich bei abgeschaltetem Antrieb gefrieren und die Funktion der Brennstoffzellen beeinträchtigen. Eine neue Arbeit von PSI-Forschenden ermöglicht es zum ersten Mal, die Verteilung von Eis und Wasser in einer Brennstoffzelle direkt abzubilden. Das eröffnet eine neue Möglichkeit, um das Problem der Eisbildung besser zu untersuchen und dessen Lösung weiter zu optimieren.

Das Problem der Eisbildung

Eis kann sich in den porösen Strukturen der Elektroden einer Brennstoffzelle ablagern. Das Eis behindert die Funktion der Zelle, indem es die Poren verstopft, durch die der Sauerstoff an die positive Elektrode (Kathode) der Zelle gelangt. Wenn der Sauerstoff die Kathode der Zelle nicht erreicht, können die elektrochemischen Reaktionen, in denen die Zelle Strom produziert, nicht mehr stattfinden. Die Spannung in der Zelle bricht in der Folge zusammen und diese liefert dann keinen Strom mehr.

Die poröse Elektrodenstruktur dient auch dazu, das Wasser aus der Brennstoffzelle fliessen zu lassen. Das nach dem Betrieb noch verbliebene flüssige Wasser kann dann zum Beispiel über Nacht gefrieren. Da Eis mehr Volumen einnimmt als flüssiges Wasser, kann die Eisbildung auch mechanische Schäden an den Komponenten der Zelle verursachen.

Messung mit zweierlei Mass

Die Bildgebung von Wasser mit Neutronen nutzt die Tatsache, dass die Neutronen von den Wasserstoffatomen stark gestreut (abgelenkt) werden. Ein gerichteter Neutronenstrahl wird also in seiner Intensität stark abgeschwächt, wenn er ein Medium mit viel Wasserstoff durchquert. Das Ausmass der Abschwächung hängt bei der neuen Technik, „Dual Spectrum Neutron Radiography“ genannt, von der Bewegungsenergie der Wassermoleküle ab. Im gefrorenen Zustand ist diese Bewegungsenergie viel kleiner als im flüssigen Zustand. So kann flüssiges Wasser vom Eis unterschieden werden. Wollte man Wasser und Eis in einem konventionellen Neutronenexperiment auseinanderhalten, müsste die Dicke der untersuchten Wasserschicht im Voraus bekannt sein. In Brennstoffzellen ist das aber in der Regel nicht möglich; die Forschenden fanden jedoch einen Ausweg, indem sie ihre Proben mit zwei Neutronenstrahlen massen.

Bei der neuen Bildgebungstechnik vergleicht man, wie zwei Neutronenstrahlen mit jeweils unterschiedlicher Neutronenenergie von den Wassermolekülen abgeschwächt werden. Einer dieser Strahlen wurde dahingehend gefiltert, dass er nur noch Neutronen mit niedriger Energie enthielt. Der zweite Strahl wurde hingegen in seiner ursprünglichen Form mit dem gesamten Neutronenspektrum belassen. Aus dem Verhältnis der Abschwächung der beiden Strahlen erhält man die Anteile von flüssigem Wasser und Eis in der Zelle, ohne dass eine Wasserschichtdicke im Voraus bekannt sein müsste. Das Verhältnis der Abschwächungen hängt in der Tat nur von der unterschiedlichen Stärke ab, mit der flüssiges Wasser und Eis die Neutronen ablenken. Deshalb kann man aus dem Vergleich der Messungen mit gefiltertem und ungefiltertem Neutronenstrahl jeweils den Aggregatzustand des Wassers bestimmen.

Unterkühltes Wasser nachgewiesen

Durch ihre Messungen an der Neutronenstrahllinie ICON der PSI-eigenen Neutronenquelle SINQ konnten die PSI-Forschenden nicht nur die Verteilung von Wasser und Eis in einer Brennstoffzelle kartieren. Ihnen gelang auch zum ersten Mal der direkte Nachweis für eine alte Vermutung über das Verhalten von Wasser in Brennstoffzellen. Es wurde nämlich schon lange angenommen, dass Wasser in Brennstoffzellen im unterkühlten Zustand vorhanden sein könnte. Unterkühlt bedeutet, dass das Wasser selbst unter Null Grad Celsius nicht gefriert. Durch direkte Abbildung konnten die Autoren der neuen Studie nun zeigen, dass bei Temperaturen von bis zu Minus 7,5 Grad flüssiges Wasser in der Zelle übrigblieb. „Der Beweis, dass unterkühltes Wasser in Brennstoffzellen vorkommt, ist nicht nur in theoretischer Hinsicht wichtig“, sagt Thomas Justus Schmidt, Leiter des Labors für Elektrochemie und Mitautor der Studie. „Auch für die praktische Anwendung ist es gut zu wissen, dass man eine Marge an Temperatur hat, in der man sich nicht um die Eisbildung kümmern muss.“

Text: Paul Scherrer Institut/Leonid Leiva

Originalveröffentlichung:

Dual spectrum neutron radiography: Identification of phase transitions between frozen and liquid water

J. Biesdorf, P. Oberholzer, F. Bernauer, A. Kaestner, P. Vontobel, E. H. Lehmann, T. J. Schmidt und P. Boillat, Physical Review Letters, accepted paper.

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Lernende, Doktorierende oder Postdoktorierende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.

Weitere Informationen:

http://www.psi.ch/lec Labor für Elektrochemie am PSI
http://www.psi.ch/lns Labor für Neutronenstreuung und -imaging

Dagmar Baroke | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher beschreiben neuartigen Antikörper als möglichen Wirkstoff gegen Alzheimer
22.08.2017 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Virus mit Eierschale
22.08.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen