Eis in Brennstoffzellen erstmals direkt sichtbar gemacht

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

Über das PSI

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