Ein einzigartiger Blick in die inneren Abläufe von Brennstoffzellen ist jetzt deutschen Forschern gelungen. Mit ihren neu entwickelten Methoden können sie unmittelbar verfolgen, wie Wasser im Inneren der Brennstoffzelle entsteht und abfließt. Diese Bilder helfen, das „Wassermanagement“ von Brennstoffzellen zu verstehen und dadurch die Zellen zu optimieren.
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Brennstoffzellen erzeugen elektrischen Strom in einer „kontrollierten Knallgasreaktion“ – Wasserstoff und Sauerstoff vereinigen sich zu Wasser, die Energie wird aber nicht als Knall, sondern als nutzbare Elektrizität frei. Damit die Zelle möglichst optimal arbeitet, muss sie im Inneren genau die richtige Menge Wasser enthalten, denn zu viel Wasser verstopft die Kanäle, durch die Wasserstoff und Sauerstoff fließen, zu wenig Wasser lässt die Zelle austrocknen. Beides schadet der Brennstoffzelle: die Leistung wird niedriger und die Zelle versagt leichter.
Bisher waren Entwickler von Brennstoffzellen, die den Wassertransport verfolgen wollten, auf theoretische Rechnungen oder Experimente an Zellen mit transparenten Bauteilen angewiesen. Die Vorgänge in einer Brennstoffzelle sind aber so komplex, dass man damit nur unvollständige Informationen bekommt. Wissenschaftler des Berliner Hahn-Meitner-Instituts (HMI) und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm haben nur mit gleich zwei Verfahren neue Einblicke gewonnen. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Applied Physics Letters vorgestellt.
Synchrotronenstrahlen machen Tröpfchen sichtbar
In ihrer Arbeit profitierten die Forscher von den besonderen Eigenschaften von Synchrotronstrahlung und Neutronen – Strahlen, die weltweit nur an wenigen Orten erzeugt werden. Synchrotronstrahlen ähneln gewöhnlicher Röntgenstrahlung, sind aber viel intensiver und ihre Eigenschaften können genau an die Bedingungen des Experiments angepasst werden. Mit ihrer Hilfe kann man detailreiche Durchleuchtungsbilder auch von massiven Objekten erhalten.
Erzeugt werden die Synchrotronstrahlen an der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY in Berlin-Adlershof. Hier bewegen sich Elektronen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn von 280 Metern Durchmesser und geben dabei Strahlung ab, die sich – ähnlich wie die Funken an einem Schleifrad – tangential vom Speicherring wegbewegt. Mit dieser Methode konnten Ingo Manke (HMI) und Christoph Hartnig (ZSW) als erste beobachten, wie einzelne Wassertröpfchen in einer Brennstoffzelle entstehen.
Neutronen ergeben 3-D-Bild
Die Neutronentomographie wiederum macht es möglich, die Wasserverteilung in einer kompletten Brennstoffzelle dreidimensional darzustellen. Bei diesen
Experimenten nutzen die Forscher aus, dass Metalle für Neutronen praktisch durchsichtig sind. Wasserstoffhaltige Substanzen schwächen den Neutronenstrahl jedoch stark ab. Dadurch wird Wasser hinter dem Metall deutlich sichtbar.
Um ein dreidimensionales Bild des Wassers zu erzeugen, mussten die Forscher die Brennstoffzelle aus mehreren hundert Richtungen mit Neutronen beschießen, so dass ein Computerprogramm aus den zweidimensionalen Bildern die dreidimensionale Wasserverteilung berechnen konnte. Um das möglich zu machen, haben Ingo Manke und Christoph Hartnig ein Verfahren entwickelt, mit dem man die Wasserverteilung in der Zelle für mehrere Stunden unverändert halten kann. Die Neutronenexperimente wurden am Forschungsreaktor des Hahn-Meitner-Instituts in Berlin-Wannsee durchgeführt.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat kürzlich bekannt gegeben, das Projekt, das von HMI und ZSW zusammen mit vier weiteren Partnern weiterbetrieben wird, mit zwei Millionen Euro weiter zu fördern.
(Hahn-Meitner-Institut Berlin, 27.08.2007 – NPO)
