用X射线CT探知最清洁能源的“一斑”

燃料电池是指将从氢燃料的电化学反应中获得的能量直接转化为电能的装置。作为最清洁能源，由于转化效率高，反应产物只有水，燃料电池有望在汽车、住宅和移动设备等领域成为解决能源和环境问题重要手段。

目前的燃料电池只是小规模应用，距离大范围使用还有一定距离。在真正实现普及前，还需进一步提高燃料电池的性能、耐用性，并降低成本。为达到这些要求，研发和质量控制人员要检测各组件的物理特性、分析其结构，观察其形态，并进行各种强度测试。

本文例举了众多检测中的一项，即如何使用X射线CT对燃料电池进行分析。

对燃料电池MEA的观察

结构：聚合物电解质燃料电池的核心部分是膜电极组件(MEA)，它由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成。

质子交换膜只能对质子传导，阻止电子或气体的通过，能够以稳定的方式发电。保证稳定发电的一个关键点是如何有效控制在发电过程中产生的水分。

催化剂层由复合在碳黑基底表面上的铂或贵金属催化剂和电解质组成。目前的研究内容包括：为了降低成本，如何努力减少所使用的铂或贵金属的数量；为了提高转换效率，怎样增加基底的表面积；为了减少对环境的影响，降低一氧化碳中毒性的有效措施。

气体扩散层(GDL：Gas Diffusion layer)是由碳纸（或碳布）或其他多孔材料构成，是用聚四氟乙烯（PTFE：Ploytetrafluoroethylene ）或其他材料进行疏水处理的导电基质。将每个MEA夹在带有提供反应气体的流道层之间。这个三明治式MEA被称为电池单元。实际燃料电池是由多个电池单元列管式组合而成。

实验内容

使用微焦点x射线CT系统inspeXio SMX-100CT (如图1)对MEA进行拍摄后得到图3的MPR图像。（为获得放大效果的图像，试验时将被测物进行了切割，被扫描实物为图2所示右侧样品）。

图1. 微焦点X射线CT系统inspeXio SMX-100CT

图2. MEA外观图

MPR图像是在虚拟空间上将多张CT图像进行堆积，在一个显示画面内排列四张CT断面图像的显示方法。

在该MPR图像中，①表示MEA的断面。  在图像①中，中间颜色较淡的是电解质膜，看上去发白的是催化剂层。此外，在催化剂层的外部可以看到气体扩散层。

图3 .MEA的MPR图像                 图4. MEA三维效果显示

图3. 中图像④显示了气体扩散层，其中丝状物质是碳纤维，碳纤维被粘合剂材料粘合在一起。通过放大扫描，该图像可以确认碳纤维与粘合剂之间的粘合状态。

沿外边缘可见的材料是保护胶带，用于保持MEA的形状。图像①中竖线对应的截面是图像②；图像②中的绿线对应的图像是④——GDL的图像。图3的三维效果为图4。

图5. 单独提取催化剂层的图像

图4.中在铂催化剂层的外侧可见GDL。GDL由厚约100~300μm、具有优异的透气性和导电性的碳素纸或碳纤维布组成。除了将燃料和氧化剂扩散到催化剂层上外，气体扩散层还用于排放作为反应产物的水，并控制催化剂层内的含水量。因此，GDL层的基材表面不仅要进行疏水处理，还要进行各种加工对其表面状态进行控制。

图5.显示了单独提取出的催化剂层图像。使用分析软件，计算出催化剂的体积为1.6362mm³。

小结

通过X射线CT，我们不仅可以观察到MEA内部结构，也可以获得各个部分的量化值。于细微处呈现物质的内部细节，是X射线CT的“一技之长“。

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