燃料电池中的冰首次直接显示

PSI科学家的研究结果将于2014年6月16日发表在“物理评论快报”上。

氢燃料电池有可能使未来的个人移动性更加环保。在电池中，氢被分解为“燃料”，其与电子氧化学反应并产生电流。唯一的副产品是热和水。然而，后者在现实生活应用中可能对燃料电池动力装置造成问题：在较冷的气候中，当动力装置关闭并影响性能时，水会冻结。现在，PSI研究人员首次开展了一项新项目，可以直接观察燃料电池中冰和水的分布，从而为更有效地研究冰层形成问题并优化其解决方案开辟了新的可能性。

结冰的问题

冰可以积聚在燃料电池中的电极的多孔结构中。冰通过堵塞允许氧气通过正电极(阴极)的孔来阻碍电池的性能。如果氧气不能到达阴极，则电池发电的电化学反应不再发生。因此，电池中的电压崩溃并停止供电。

多孔电极结构还允许水流出燃料电池。例如，操作后剩余的流体可以在一夜之间冷冻。由于冰占据的体积大于液态水，冰的形成可能导致细胞成分的机械损伤。

使用两种不同光谱进行测量

具有中子的成像水利用了中子被氢原子强烈散射(偏转)的事实。因此，如果穿过具有大量氢的介质，则定向中子束的强度大大降低。使用双光谱中子射线照相术的新技术，这种弱化的程度取决于水分子的动能。在冷冻状态下，动能远低于液态，这使得液态水能够与冰区分开。如果想要在传统的中子实验中区分水和冰，就必须知道预先研究的水层的厚度。然而，在燃料电池中，这通常是不可能的。研究人员找到了另一种选择：用两个中子束测量样品。

新的成像技术使研究人员能够比较具有不同中子能谱的两个中子束如何被水分子衰减。过滤其中一个光束，使其仅包含低能量的中子。然而，第二束以其整个中子谱保持其原始形式。从两个梁的衰减比率中提取出电池中液态水和冰的比例，而不必事先知道水层厚度。实际上，衰减的比率仅取决于液态水和冰使中子偏转的不同强度。因此，水的聚集状态可以通过将测量结果与经过滤和未经过滤的中子束进行比较来确定。

检测到超冷水

通过对PSI自身中子源SINQ的中子束线ICON的测量，不仅PSI研究人员能够绘制燃料电池中水和冰的分布图;他们还设法找到关于燃料电池中水的行为的旧假设的直接证据：即，水可能以超冷状态存在于燃料电池中。超级冷却意味着水甚至不会在零摄氏度以下冷冻。由于直接成像，新研究的作者能够证明细胞中的水在低至零下7.5度的温度下仍然部分处于液态。“从理论的角度来看，燃料电池中存在超冷水的证据不仅重要，”ThomasJustusSchmidt说，电化学实验室负责人和该研究的共同作者。“对于实际应用，知道你有一个温度范围，你不必担心结冰，这也是很好的。”

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