XRF用于氢燃料电池的质量控制

在减少碳排放的竞赛中,燃料电池技术发展迅速。锂离子电池技术和氢燃料电池系统都能助力有关减少世界二氧化碳排放的解决方案。

所有类型的燃料电池均包括三个基本组成部分:两个电极(负极和正极)以及夹在两个电极之间的电解质。为电动车提供动力的氢燃料电池由于使用质子导电聚合物膜作为电解质,因此被称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。它们也被称为质子交换膜燃料电池,其电极通常涂有混有铂(Pt)颗粒的导电碳。铂(Pt)是燃料(氢)和氧化剂(氧)持续转化为电能的催化剂。

在制造过程中,控制电极表面铂镀层的均匀性以及电极表面的数量或重量非常重要,以确保电池中的有效化学反应,同时大限度地降低原材料成本和减少成品浪费。

在这种情况下,能量分散X射线荧光(EDXRF)光谱法(非常简单的元素分析技术之一)可用于快速质量控制,以确保高性能、提高产量并通过减少废物来支持可持续发展。

氢燃料电池用于更清洁环保的出行

 

氢燃料电池用于更清洁环保的出行

理论上,氢燃料电池是理想的零排放能源。只需将燃料-氢(由于氢含量丰富而被归类为可再生能源)和空气输送到电池的电极,电池即可产生电、热和水。电池不排放温室气体,仅有的副产品是水和热量,而该热量可用于一些系统中,使其比单独的发电系统更有效。

然而,像锂离子电池仍然需要使用化石燃料来提供充电用电一样,化石燃料的大量能量也常用于生产氢气,这使得它们的整体绿色环保信誉度并不高。幸运的是,其他制氢工艺正在开发中,进一步提高了氢燃料电池的环保信誉度。

此外,随着风能和用于发电的生物质能等可再生能源的发展,环保情况正在改善。

聚合物电解质膜燃料电池(PEM)

氢燃料电池技术的主要优势在于它可以在相对较低的温度下使用,并且其电能输出易于变化-这两种情况都是个人车辆使用的必要条件。

PEM使用铂作为催化剂,在负极将氢转化为H+和电子(氢氧化反应),并在正极作为氧化还原反应的催化剂,产生与氢离子结合生成水的氧。

就铂镀层的质量而言,无论是在膜上的重量还是存在的铁(Fe)颗粒异物方面,其都对燃料电池的运行有重大影响。就铁而言,铁颗粒可通过原材料和工艺设备的磨损,从而进入生产过程。当铁存在于燃料电池中时,铁可与过氧化氢(H2O2)反应并形成自由基(芬顿反应)。这种反应会导致电池离子交换膜损坏和燃料电池劣化。

芬顿反应:   Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO. + OH-

  H2O2 + HO. → HO2. + H2O

常规X射线计算机断层扫描系统需要几个小时才能检测到膜电极组件中的小金属颗粒,并且虽然扫描电子显微镜能检测到粒度小于10μm的颗粒,但其无法“查看”埋藏在样品中的颗粒。

日立已开发出一种新型颗粒检测技术,能在短短15分钟内检测和分析粒度小至30µm的金属异物,大大地提高测试效率。该技术还能确定铂在膜上的分布情况。

EA8000A用于检测金属异物

日立EA8000A结合了X射线透射技术、光学显微镜和EDXRF光谱技术来定位和表征膜电极列阵(MEA)中的金属异物。EDXRF也能用于映射铂在膜上的分布情况。

其他技术通常只能识别样品表面的小颗粒,而EA8000A使用独特的聚焦X射线光学器件,能够定位和识别埋藏在样品深处的金属颗粒中的元素。

样品制备快速而简单:只需将MEA(最大尺寸为250mm x 200mm)放入样品夹具中,并将夹具放在分析台上即可进行测量。

为了进行全面分析,EA8000A测量台:

  1. 使用透射X射线来获得样品的光学图像
  2. 使用图像处理来自动检测任何异物的位置
  3. 观察形态并自动捕获受污染区域的图像
  4. 通过EDXRF对受污染区域和/或整个膜进行元素映射
  5. 生成报告

这些步骤可以完全实现自动化,使操作员能够执行其他任务并提高生产率。

为了解EA8000A如何检测异物并研究铂镀层均匀性,我们制作了一份应用指南,展示了该分析仪的性能。

但这并不是我们提供的所有能帮助您提高产量和减少浪费的XRF仪器:

LAB-X5000用于铂镀层重量测量

日立LAB-X5000台式EDXRF光谱仪能确保轻松进行薄膜上的铂镀层重量分析。在校准LAB-X后即可轻松地进行常规分析。只需将镀层样品放入LAB-X的分析端口,按下启动按钮,仪器便会自动完成剩余的工作。

几秒钟内即可获得显示铂镀层重量的初步分析结果,几分钟内即可获得全部分析结果。此外,还可以设置“合格/不合格”消息,以便做出快速决策和调整工艺(如需),从而确保始终稳定一致的产品质量。LAB-X5000结构紧凑,坚固耐用,可与任何产品搭配使用。

为了了解LAB-X5000在其用于PEM用铂镀层薄膜分析方面的性能,我们制作了一份应用指南,其中说明了这款分析仪的校准性能和样品制备方法。

X-Strata920用于精确测量部件和薄膜的镀层重量

X-Strata920 XRF镀层分析仪使用较小的分析光斑尺寸来测量镀层零件或薄膜特定测点或区域上的铂镀层重量。可将电动XY工作台编程为自动测量多块膜,或执行多点(如网格型)分析程序,以显示铂在整个膜上的分布情况,从而监控和调整镀层过程。 

X-MET8000按需提供便携式XRF分析

X-MET8000手持式X射线荧光(XRF)分析仪无需电源或工作台,是对镀层进行光斑分析的理想选择。其坚固性(IP54防护等级)和较长的电池寿命(一次充电可使用10-12小时),使其成为需要使用真正便携的工具时(如来料检验)的高效工具。




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日期: 1 September 2022

作者: Christelle Petiot, Senior Product Manager - Benchtop XRF

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