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用X射線CT探知最清潔能源的“一斑”

閱讀:324        發(fā)布時間:2021-5-17

燃料電池是指將從氫燃料的電化學(xué)反應(yīng)中獲得的能量直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。作為最清潔能源,由于轉(zhuǎn)化效率高,反應(yīng)產(chǎn)物只有水,燃料電池有望在汽車、住宅和移動設(shè)備等領(lǐng)域成為解決能源和環(huán)境問題重要手段。

 

目前的燃料電池只是小規(guī)模應(yīng)用,距離大范圍使用還有一定距離。在真正實現(xiàn)普及前,還需進(jìn)一步提高燃料電池的性能、耐用性,并降低成本。為達(dá)到這些要求,研發(fā)和質(zhì)量控制人員要檢測各組件的物理特性、分析其結(jié)構(gòu),觀察其形態(tài),并進(jìn)行各種強(qiáng)度測試。

 

本文例舉了眾多檢測中的一項,即如何使用X射線CT對燃料電池進(jìn)行分析。

 

對燃料電池MEA的觀察

 

結(jié)構(gòu):聚合物電解質(zhì)燃料電池的核心部分是膜電極組件(MEA),它由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層組成。

 

質(zhì)子交換膜只能對質(zhì)子傳導(dǎo),阻止電子或氣體的通過,能夠以穩(wěn)定的方式發(fā)電。保證穩(wěn)定發(fā)電的一個關(guān)鍵點是如何有效控制在發(fā)電過程中產(chǎn)生的水分。

 

催化劑層由復(fù)合在碳黑基底表面上的鉑或貴金屬催化劑和電解質(zhì)組成。目前的研究內(nèi)容包括:為了降低成本,如何努力減少所使用的鉑或貴金屬的數(shù)量;為了提高轉(zhuǎn)換效率,怎樣增加基底的表面積;為了減少對環(huán)境的影響,降低一氧化碳中毒性的有效措施。

 

氣體擴(kuò)散層(GDL:Gas Diffusion layer)是由碳紙(或碳布)或其他多孔材料構(gòu)成,是用聚四氟乙烯(PTFE:Ploytetrafluoroethylene )或其他材料進(jìn)行疏水處理的導(dǎo)電基質(zhì)。將每個MEA夾在帶有提供反應(yīng)氣體的流道層之間。這個三明治式MEA被稱為電池單元。實際燃料電池是由多個電池單元列管式組合而成。

 

實驗內(nèi)容

 

使用微焦點x射線CT系統(tǒng)inspeXio SMX-100CT (如圖1)對MEA進(jìn)行拍攝后得到圖3的MPR圖像。(為獲得放大效果的圖像,試驗時將被測物進(jìn)行了切割,被掃描實物為圖2所示右側(cè)樣品)。

 

  

1. 微焦點X射線CT系統(tǒng)inspeXio SMX-100CT

 

  

2. MEA外觀圖

 

MPR圖像是在虛擬空間上將多張CT圖像進(jìn)行堆積,在一個顯示畫面內(nèi)排列四張CT斷面圖像的顯示方法。

 

在該MPR圖像中,①表示MEA的斷面。  在圖像①中,中間顏色較淡的是電解質(zhì)膜,看上去發(fā)白的是催化劑層。此外,在催化劑層的外部可以看到氣體擴(kuò)散層。

  

3 .MEA的MPR圖像                 4. MEA三維效果顯示

 

3. 中圖像④顯示了氣體擴(kuò)散層,其中絲狀物質(zhì)是碳纖維,碳纖維被粘合劑材料粘合在一起。通過放大掃描,該圖像可以確認(rèn)碳纖維與粘合劑之間的粘合狀態(tài)。

 

沿外邊緣可見的材料是保護(hù)膠帶,用于保持MEA的形狀。圖像①中豎線對應(yīng)的截面是圖像②;圖像②中的綠線對應(yīng)的圖像是④——GDL的圖像。圖3的三維效果為圖4。

 

  

5. 單獨提取催化劑層的圖像

 

4.中在鉑催化劑層的外側(cè)可見GDL。GDL由厚約100~300μm、具有優(yōu)異的透氣性和導(dǎo)電性的碳素紙或碳纖維布組成。除了將燃料和氧化劑擴(kuò)散到催化劑層上外,氣體擴(kuò)散層還用于排放作為反應(yīng)產(chǎn)物的水,并控制催化劑層內(nèi)的含水量。因此,GDL層的基材表面不僅要進(jìn)行疏水處理,還要進(jìn)行各種加工對其表面狀態(tài)進(jìn)行控制。

 

5.顯示了單獨提取出的催化劑層圖像。使用分析軟件,計算出催化劑的體積為1.6362mm³。

 

小結(jié)

 

通過X射線CT,我們不僅可以觀察到MEA內(nèi)部結(jié)構(gòu),也可以獲得各個部分的量化值。于細(xì)微處呈現(xiàn)物質(zhì)的內(nèi)部細(xì)節(jié),是X射線CT的“一技之長“。

 

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