用X射線CT探知最清潔能源的“一斑”
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(shí)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(xiàng)，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(diǎn)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(shí)際燃料電池是由多個電池單元列管式組合而成。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
使用微焦點(diǎn)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(yàn)時將被測物進(jìn)行了切割，被掃描實(shí)物為圖2所示右側(cè)樣品）。
圖1. 微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)inspeXio SMX-100CT
圖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。
圖3 .MEA的MPR圖像 圖4. MEA三維效果顯示
圖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。
圖5. 單獨(dú)提取催化劑層的圖像
圖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。
圖5.顯示了單獨(dú)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1.6362mm。
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“。
