客户成就| 蔡司燃料电池原位测试技术,实现科研新突破

企业   2024-06-12 08:01   云南  


可再生能源作为国家双碳目标的重要实施路径,其中氢能是不可忽视的一环,而2024年两会政府工作报告首次明确提及“氢能”作为2024年新兴产业培育的重要方向,相关的前沿热点研究层出不穷。


蔡司君很高兴的看到,蔡司燃料电池原位解决方案助力客户研发燃料电池过程中的新材料,实现科研新突破。我们整理了部分用户的实战案例,分享给大家。


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Pt作为质子交换膜燃料电池中最常用的电催化剂,仍然遭受各种类型的退化。来自瑞典科技大学的Wickman研究团队利用蔡司原位电化学显微成像技术,在燃料电池正常工作条件下进行加速应力测试,研究了阴极催化层Pt纳米颗粒的退化过程。该项研究发现,Pt纳米颗粒主要经历了Ostwald Ripening、晶体迁移和合并等过程,导致平均颗粒尺寸增加约35%,可用电化学活性表面积减少约72%。该项研究为设计更稳定、更耐用的质子交换膜燃料电池提供了重要参考


▲ 蔡司场发射扫描电镜原位研究催化层退化行为。

速应力测试: H2/Ar流量100/75 nccm、温度80℃、100% RH。图片来源:见参考文献[1]


▲ 阴极催化层的代表性IL-SEM图像,突出显示了从BOL(新鲜状态)到每次加速应力测试后直到EOL(总共14,000次循环)的不同类型催化剂变化。红色圆圈表示粒子的生长,黄色虚线方块表示迁移和聚结的粒子,蓝色虚线圆圈表示粒子先生长然后收缩。这些标记仅说明了 AST 循环过程中的主要降解效应。Scale bar = 50 nm。






燃料电池中常用的磷酸(PA)掺杂膜在燃料电池的结构中区分较为困难,伦敦大学学院化学工程系电化学创新实验室 Alexander J.E. Rettie等学者使用对比度增强剂Cs作为磷酸示踪剂,采用蔡司X射线显微镜Xradia 520 Versa进行原位可视化研究,确认了热压过程的酸的损失机制主要是随着热压压力和持续时间的增加,掺杂PA的膜发生了压缩,更多的PA被迫通过催化剂层的裂缝进入微孔层(MPL)和气体扩散层(GDL)


▲ 燃料电池电极中的PA在不同热压条件下的分布渲染图

测试条件:2 N mm−2 (a)阳极,(b)阴极。

测试条件:4 N mm−2 (c)阳极,(d)阴极。

测试条件:8 N mm−2 (e)阳极,(f)阴极。

阳极和阴极PA分别为黄色和紫色。

图片来源:见参考文献[2]


▲ 原位热压条件下PA的可视化渗透过程









西蒙弗雷泽大学的Erik Kjeang团队采用ZEISS多尺度X射线显微镜(XRM)三维成像技术,采用蔡司微米X射线显微镜520 Versa结合纳米X射线显微镜810 Ultra的形式,成功地对燃料电池失效机制进行了原位研究。研究中将初始阶段(EOL)与加速老化后(EOL)的膜电极组件结构对比分析,揭示了燃料电池在使用寿命终结时,催化剂层出现裂纹扩展、厚度降低和孔隙结构的变化。该项研究有助于全面认识燃料电池失效机制,其多尺度原位研究方法亦为燃料电池及其他电化学能源设备研究提供了新的视角。


▲ (a,c)BOL和(b,d)EOL MEAs结构,揭示了了阴极退化的结构效应。

图片来源:见参考文献[3]


▲ 阴极催化剂的纳米尺度X射线显微重构图像

(a,c)为完整的3D视图,(b,d)为二维截面视图,并标记相邻膜和GDL组分的位置。(e)从BOL和EOL材料的重建图像中得到的纳米级的阴极催化剂层孔径分布。

图片来源:见参考文献[4]。







蔡司特色燃料电池原位解决方案致力于解决您在燃料电池研发中的各类问题。


根据您的需求,定制化提供多方位、多尺度、多维度、多模态、可联动的测试,不遗余力助您科研更进一步。


如果您有更多原位想法或者“燃眉之急”,欢迎评论区留言或者私信蔡司君噢~


蔡司工况液体电化学显微解决方案


蔡司X射线显微镜 Xradia 630 Versa


参考文献

(1) https://pubs.acs.org/10.1021/acsaem.2c01790

(2) https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233574

(3) http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.08.092



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