燃料電池是指將從氫燃料的電化學反應中獲得的能量直接轉化為電能的裝置。作為最清潔能源，由于轉化效率高，反應產物只有水，燃料電池有望在汽車、住宅和移動設備等領域成為解決能源和環境問題重要手段。

目前的燃料電池只是小規模應用，距離大范圍使用還有一定距離。在真正實現普及前，還需進一步提高燃料電池的性能、耐用性，并降低成本。為達到這些要求，研發和質量控制人員要檢測各組件的物理特性、分析其結構，觀察其形態，并進行各種強度測試。

本文例舉了眾多檢測中的一項，即如何使用X射線CT對燃料電池進行分析。

對燃料電池MEA的觀察

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

質子交換膜只能對質子傳導，阻止電子或氣體的通過，能夠以穩定的方式發電。保證穩定發電的一個關鍵點是如何有效控制在發電過程中產生的水分。

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

氣體擴散層(GDL：Gas Diffusion layer)是由碳紙（或碳布）或其他多孔材料構成，是用聚四氟乙烯（PTFE：Ploytetrafluoroethylene ）或其他材料進行疏水處理的導電基質。將每個MEA夾在帶有提供反應氣體的流道層之間。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。

實驗內容

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

圖1. 微焦點X射線CT系統inspeXio SMX-100CT

圖2. MEA外觀圖

MPR圖像是在虛擬空間上將多張CT圖像進行堆積，在一個顯示畫面內排列四張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膜，看上去發白的是催化劑層。此外，在催化劑層的外部可以看到氣體擴散層。

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

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

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

圖5. 單獨提取催化劑層的圖像

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

圖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

通過X射線CT，我們不僅可以觀察到MEA內部結構，也可以獲得各個部分的量化值。于細微處呈現物質的內部細節，是X射線CT的“一技之長“。