应用分享丨质子交换膜燃料电池研究生产的“透视眼”

在全球能源结构向低碳化转型背景下，氢能因其资源丰富、能量密度大且热量高、零排放特点，被视为最具发展潜力的清洁能源，是未来能源技术革命和产业发展的重要方向。

在众多类型的氢燃料电池中质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效、环保的能源转换设备，其性能和寿命受到多种因素的影响。XRF（X射线荧光光谱分析）技术在这一领域中发挥着重要作用，尤其是在异物检测和催化元素含量分析方面。

便携式XRF对于质子交换膜催化剂元素

Pt & Ir载量分析

在PEMFC中，贵金属铂（Pt）和Ir（铱）是膜电极的重要催化剂，其含量直接影响电池的电催化性能和成本。传统的催化剂载量测定方法复杂且误差较大。XRF技术以其快速、无损、高精度的特点，成为催化剂载量测定的优选方法。2020年发布的《T/CAAMTB 12 膜电极测试方法》标准中，XRF方法被指定为Pt担载量标准测试方法。

布鲁克便携式XRF轻巧灵活，使用方便，不受样品尺寸限制，能够实现对样品的快速无损分析，测试此类样品时，仅需几秒即可获得测试样品的催化剂载量，结果准确可靠， 能够真正意义上实现样品的无损测试。

布鲁克便携式XRF测试Pt载量结果界面

布鲁克便携式XRF TITAN系列具有以下优势：

• 结构紧凑， 轻巧便携

• Sharp Beam TM光路优化技术，使用更安全

• 新型石墨烯窗口SDD探测器

• Detector shield 防扎探测器专利技术，探测器更坚固耐用Easy-cal软件，支持客户自主开发定制化校准曲线

在线式分析实现生产过程催化剂载量实时监控

为了实现生产过程中电极片催化剂的实时检测，布鲁克推出了在线分析产品XMS。这一产品不仅能够实现接近于离线实验室分析的动态分析精度，还能极大缩减测量间隔。用户可通过简单自动化集成，将布鲁克在线式XRF XMS 集成至电极片生产流水线设备上，实现实际生产中催化剂载量的实时监控以及产品质量控制。

在线式XRF分析仪XMS

得益于Micro-XRF出色的空间分辨率以及强大的面扫描功能，除了能够实现上述便携式XRF进行的单点载量分析，可直接对膜电极组件进行面扫描测试，获得贵金属催化剂在膜电极的元素分布情况，让使用者能够直观地了解催化剂是否存在团簇、不均匀等情况，对催化剂涂覆整体均匀性进行评估，结合软件Q-Map功能可以直接获得催化剂载量定量分布图。

膜电池结构示意图

Micro-XRF QMap

获得的膜电极Pt催化剂载量分布图

膜电极组件是质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的核心组件，通常由多层膜材料叠加打造而成。然而，这种叠层式的结构有时也会受到一些不速之客的干扰——即那些意外混入的外来金属颗粒。这些微小的金属颗粒，虽然看似微不足道，却可能成为引发电池性能下降甚至彻底失效的罪魁祸首。它们会在扩散层中形成缺陷，进而导致电池的整体性能和耐久性受到严重影响。

幸运的是，随着科技的进步，我们有了一种强大的工具——微区X射线荧光成像技术（Micro XRF）。这项技术在检测和识别这些潜在的金属颗粒方面显示出了其无可比拟的优势。通过细致的成像分析，它不仅能够帮助我们在膜电极表面发现这些不受欢迎的金属颗粒，由于X射线有一定的穿透性还能够直接测得几个膜夹层间的金属异物， 结合软件的分析功能还能够对异物颗粒进行分类、尺寸、颗粒数目统计等分析。

▲Micro-XRF获的异物颗粒元素分布图                                

▲不同尺寸异物颗粒数目统计结果

小结：

布鲁克纳米分析部门的XRF产品在质子交换膜燃料电池领域有着丰富的应用场景，能够为质子交换膜燃料电池行业提供完整的元素分析解决方案。不仅能够在实际生产研究中帮助改善电池的整体性能，还有效降低了制造成本，同时显著提高了产品的合格率和市场竞争力。

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