来自柏林亥姆霍兹-岑特鲁姆大学（HZB）和伦敦大学学院（UCL）的团队通过评估2019年关闭的柏林实验反应堆的中子数据，首次以三维实时方式可视化了燃料电池中的水分布。该分析为更高效、更具成本效益的燃料电池开辟了新的可能性。

“在燃料电池中，氢和氧结合形成水。这会产生电能，”HZB成像小组的Ralf Ziesche解释道。“燃料电池内部最重要的部件可能是膜。”它只有大约20微米厚（只有人类头发的一半宽），并与各种功能层连接，在燃料电池内部形成大约600微米宽的分离区域。

复合膜从氢原子中攫取电子。只有氢原子核鈥攖氦质子鈥攃穿过薄膜的通道。“另一方面，电子通过电气连接流出并用作电流。空气从隔离墙的另一侧进入。其中的氧气与穿过膜的质子和从电路另一侧回流的电子发生反应。产生纯水。

渠道的功能

Ralf Ziesche解释道：“一部分水被排出。另一部分必须留在燃料电池中，因为膜不能干燥。”。“但是如果水太多，质子就不能再穿透膜。在这些点上会形成死区，反应就不能在那里发生。整个燃料电池的效率会下降。”

为了让氢气、空气和水进出，在膜的两侧将微小的通道磨成金属板。这些通道可用于优化燃料电池并提高效率。因此，通道设计是平衡电池湿润和最佳效率的关键。

探测水的中子

要做到这一点，有利于获得渠道内水分布的尽可能准确的图片。这是伦敦大学学院（UCL）电化学创新实验室（EIL）研究小组与HZB合作的目标。

HZB成像小组的尼古拉·卡尔季洛夫（NikolayKardjilov）解释说：“原则上，我们对燃料电池进行了计算机断层扫描，因为它用于医学。”。但是，尽管X射线用于医学分析，尼古拉·卡尔季洛夫和他的团队更喜欢使用中子辐射。“因为X射线在氢和水的一面与金属结构的另一面之间提供的图像对比度太低。另一方面，中子在这里是理想的。”

旋转燃料电池

这很棘手。因为为了获得三维图像，辐射源必须绕过要成像的物体。在医学上，这很容易解决。在那里，放射源和扫描仪围绕着躺在桌子上的患者旋转。

尼古拉·卡尔季洛夫说：“但我们的辐射源是柏林实验反应堆BER II，我们在那里建立了康拉德成像站。我们不能简单地围绕燃料电池样品旋转它。”。但通过一项工程技巧，他的团队成功地将燃料电池（包括氢气和空气的供应线、水和电缆的放电线）移入中子束。这位物理学家高兴地报告说：“到目前为止，中子成像只能从燃料电池内部产生二维图像。现在，我们首次在三维实时显示水的分布。”。

这项研究发表在《自然通讯》上。