JP2010286380A - Method and apparatus for measuring micropore - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for simply and quantitatively measuring a micropore of a porous body, especially of a gas diffusion layer or a catalyst layer of a solid polymer fuel cell. <P>SOLUTION: The micropore measuring method includes the steps of: acquiring an electron microscope image of a surface or a cross section of a porous sample; and separating a micropore area from the other area in the electron microscope image, and is characterized by further including the step of removing luminance unevenness from the electron microscope image, which is caused by a combination of an electron microscope and the sample, or by a composition distribution or a shape of the sample. Thus, the micropore is measured precisely. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は多孔質体の細孔測定方法に関し、特に固体高分子形燃料電池の触媒層またはガス拡散層の細孔構造評価に好適に利用できるものである。   The present invention relates to a method for measuring pores of a porous material, and can be suitably used particularly for evaluation of the pore structure of a catalyst layer or gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell.

水素などの燃料を用いて発電する燃料電池は、高効率でクリーンな電力源として期待を集めている。その中でも固体高分子形燃料電池は小型軽量で動作温度が低いため、自動車用エネルギー源や家庭用コージェネレーションシステムなどに幅広い応用が期待されている。   Fuel cells that generate power using fuels such as hydrogen are expected to be highly efficient and clean power sources. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is small and light and has a low operating temperature, and thus is expected to be widely applied to automobile energy sources and household cogeneration systems.

以下に固体高分子形燃料電池の一般的な構造と機能について、図面を参照しながら説明する。   The general structure and function of the polymer electrolyte fuel cell will be described below with reference to the drawings.

図2は、固体高分子形燃料電池の基本構成単位である単セルの断面構造の例を表す模式図である。単セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜4を中心として、その一方の面に多孔質のアノード触媒層3を、他方の面に多孔質のカソード触媒層5を配置し、両触媒層の外側にそれぞれガス拡散層2、6を配置し、さらにこれを両面からセパレータ1、7で挟み込んだ構造からなる。   FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a single cell that is a basic structural unit of a solid polymer fuel cell. The single cell has a proton conductive electrolyte membrane 4 as a center, a porous anode catalyst layer 3 on one side, and a porous cathode catalyst layer 5 on the other side. The gas diffusion layers 2 and 6 are arranged on the two sides, respectively, and are further sandwiched between the separators 1 and 7 from both sides.

セパレータ1に刻まれた流路1aとガス拡散層2を通して、アノード触媒層3には水素などの燃料ガスが供給される。一方カソード側ではセパレータ7の流路7aを通して酸素を含むガスが供給され、ガス拡散層6を通過してカソード触媒層5に到達する。カソード触媒層5に到達した酸素は、カソード触媒層5中に含まれる触媒粒子の表面で、アノード側から電解質膜4を透過してきたプロトン及びガス拡散層6を伝わってきた電子と反応し、水となる。   A fuel gas such as hydrogen is supplied to the anode catalyst layer 3 through the flow path 1a and the gas diffusion layer 2 carved in the separator 1. On the other hand, on the cathode side, a gas containing oxygen is supplied through the flow path 7 a of the separator 7, passes through the gas diffusion layer 6 and reaches the cathode catalyst layer 5. The oxygen that has reached the cathode catalyst layer 5 reacts with the protons that have passed through the electrolyte membrane 4 from the anode side and the electrons that have passed through the gas diffusion layer 6 on the surface of the catalyst particles contained in the cathode catalyst layer 5, It becomes.

固体高分子形燃料電池の触媒層3、5は、電気化学反応を促進する触媒粒子を担持する役割を果たし、一般に、触媒粒子を担持したカーボン粒子と電解質ポリマーの混合物、及びnm〜μmオーダーの細孔を含む複雑な多孔質構造を有する。これは、反応に関与するプロトン・電子・ガス及び水はそれぞれ異なる経路(電解質・カーボン粒子・細孔)を通って供給・排出されるため、プロトン・電子・ガスの全てが到達可能な触媒粒子上の三相界面の面積をできるだけ大きくし、アノード触媒粒子の表面にて水素ガスがプロトンと電子に分離する反応やカソード触媒粒子の表面にて酸素ガスが電解質膜を透過してきたプロトンおよび電子と反応し、水を生成する反応がスムーズに進み、且つ生成した水がスムーズに排出されるようにするためである。   The catalyst layers 3 and 5 of the polymer electrolyte fuel cell play a role of supporting catalyst particles that promote an electrochemical reaction, and generally, a mixture of carbon particles supporting the catalyst particles and an electrolyte polymer, and in the order of nm to μm. It has a complex porous structure including pores. This is because the protons, electrons, gas and water involved in the reaction are supplied and discharged through different paths (electrolytes, carbon particles, pores), so that all of the protons, electrons, and gas can reach the catalyst particles. The area of the upper three-phase interface is made as large as possible, and the reaction of hydrogen gas separated into protons and electrons on the surface of the anode catalyst particles, and the protons and electrons passing through the electrolyte membrane on the surface of the cathode catalyst particles This is because the reaction to react and produce water proceeds smoothly and the produced water is discharged smoothly.

電解質膜4の材料として主に用いられているパーフルオロスルホン酸ポリマーが充分なプロトン伝導性を示すには、含水することが必要である。電解質膜4の含水状態を保つための水として、カソード触媒層5中での反応により生成する水に加えて、しばしばアノード及びカソードに供給するガスに水蒸気が加えられる。   In order for the perfluorosulfonic acid polymer mainly used as the material of the electrolyte membrane 4 to exhibit sufficient proton conductivity, it is necessary to contain water. As water for maintaining the water-containing state of the electrolyte membrane 4, water vapor is often added to the gas supplied to the anode and the cathode in addition to the water generated by the reaction in the cathode catalyst layer 5.

カソードで発生する生成水及びアノードでガスの加湿により供給される水の量が不十分であると、電解質膜4が乾燥してプロトン伝導性が低下し、発電特性は低下する。一方水の量が過剰であっても、触媒層5及びガス拡散層6に液体である水が溜まって反応に必要なガスの供給を妨げるため、発電特性は低下する。これをフラッディング現象と呼んでいる。従って、固体高分子形燃料電池の発電特性を向上させるためには、水分の管理が極めて重要であり、そのためには触媒層3、5やガス拡散層2、6の多孔質細孔構造をコント
ロールすることが重要である。(たとえば特許文献1、2を参照。)
If the amount of generated water generated at the cathode and the amount of water supplied by gas humidification at the anode is insufficient, the electrolyte membrane 4 is dried, proton conductivity is lowered, and power generation characteristics are lowered. On the other hand, even when the amount of water is excessive, liquid water accumulates in the catalyst layer 5 and the gas diffusion layer 6 and prevents the supply of gas necessary for the reaction, so that the power generation characteristics deteriorate. This is called a flooding phenomenon. Therefore, in order to improve the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell, water management is extremely important. For this purpose, the porous pore structures of the catalyst layers 3 and 5 and the gas diffusion layers 2 and 6 are controlled. It is important to. (For example, see Patent Documents 1 and 2.)

従来、触媒層やガス拡散層の細孔測定には主に水銀ポロシメータが用いられてきた。(たとえば非特許文献1を参照。)しかし水銀ポロシメータの測定原理は、試料表面に開口した円筒形状の細孔を仮定して細孔容積や細孔径分布を求めるものであり、実際の触媒層やガス拡散層に見られるような複雑なネットワーク構造を有する多孔質体の細孔分布測定には本来適さない。また水銀ポロシメータで10nmオーダーの微細な細孔まで計測するには100MPa程度の高い圧力を加える必要があり、高圧で破壊されやすい試料や圧縮性の基材を含む試料は精度よく計測できない。またポロシメータによる計測には比較的多量の試料が必要であり、また触媒層等が厚さ方向や面内方向に不均一な細孔構造を有する場合は、それを平均した結果しか得ることができない。   Conventionally, mercury porosimeters have been mainly used for measuring pores in catalyst layers and gas diffusion layers. (For example, see Non-Patent Document 1.) However, the measurement principle of the mercury porosimeter is to determine the pore volume and pore size distribution assuming a cylindrical pore opening on the sample surface. It is inherently unsuitable for measuring the pore distribution of a porous body having a complicated network structure as found in a gas diffusion layer. Further, in order to measure fine pores of the order of 10 nm with a mercury porosimeter, it is necessary to apply a high pressure of about 100 MPa, and it is impossible to accurately measure a sample that is easily broken at a high pressure or a sample that includes a compressible substrate. In addition, a relatively large amount of sample is required for measurement with a porosimeter, and if the catalyst layer has a non-uniform pore structure in the thickness direction or in-plane direction, only an averaged result can be obtained. .

そこで、より直接的な細孔構造の評価手段として、触媒層やガス拡散層の表面または断面を電子顕微鏡で観察する方法が行われている。この方法は水銀ポロシメータを用いる方法とは異なり、細孔の複雑な構造を直接観察できる点で優れているが、画像の目視による評価では定量的な測定は困難である。   Therefore, as a more direct means for evaluating the pore structure, a method of observing the surface or cross section of a catalyst layer or a gas diffusion layer with an electron microscope is performed. Unlike the method using a mercury porosimeter, this method is superior in that a complicated structure of pores can be directly observed, but quantitative measurement is difficult by visual evaluation of images.

かかる問題点を解決するために、多孔質試料の表面または断面の電子顕微鏡画像に画像処理を施して細孔領域と細孔以外の領域を分離することで、従来の電子顕微鏡観察で問題であった目視による主観的判断を排除して、細孔を客観的かつ定量的に測定することが行われている。(たとえば特許文献3を参照。)   In order to solve this problem, image processing is performed on the electron microscope image of the surface or cross section of the porous sample to separate the pore region and the region other than the pore, which is a problem in conventional electron microscope observation. In other words, it is possible to objectively and quantitatively measure the pores by eliminating the subjective judgment by visual inspection. (For example, see Patent Document 3)

しかし実際の多孔質体、特に固体高分子形燃料電池の触媒層やガス拡散層の表面及び断面の電子顕微鏡画像にはさまざまな原因による輝度のムラが含まれており、この輝度のムラのために細孔領域と細孔以外の領域の分離の精度が低下する問題があった。この輝度のムラのうち、シェーディング補正によって電子顕微鏡光学系や撮像素子に起因する輝度のムラについては除去できるものの(たとえば特許文献4を参照)、試料の形状または組成分布あるいは試料と電子顕微鏡の組み合わせに起因する輝度ムラは依然として測定精度を低下させる要因となっていた。   However, the electron microscopic images of the surface and cross section of the actual porous material, especially the catalyst layer and gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell, include uneven brightness due to various causes. However, there is a problem that the accuracy of separation between the pore region and the region other than the pores is lowered. Among the unevenness in luminance, the unevenness in luminance caused by the electron microscope optical system and the image sensor can be removed by shading correction (see, for example, Patent Document 4), but the shape or composition distribution of the sample or the combination of the sample and the electron microscope The luminance unevenness caused by the problem still decreased the measurement accuracy.

特開2005−235525号公報JP 2005-235525 A 特開2008−91330号公報JP 2008-91330 A 特開平2−82374号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-82374 特開2000−180346号公報JP 2000-180346 A

ジャーナル・オブ・ジ・エレクトロケミカル・ソサエティ(Journal of the Electrochemical Society)(米国)、2004年、第151巻、第11号、p.A1841−A1846Journal of the Electrochemical Society (USA), 2004, Vol. 151, No. 11, p. A1841-A1846 電子通信学会論文誌D、1980年、第63巻、第4号、p.349−356IEICE Transactions D, 1980, Vol. 63, No. 4, p. 349-356 パターン・レコグニション(Pattern Recognition)(オランダ)、1986年、第19巻、第1号、p.41−47Pattern Recognition (Netherlands), 1986, Vol. 19, No. 1, p. 41-47

本発明は上述した従来の問題点を解決するためになされたものであり、多孔質体、特に固体高分子形燃料電池の触媒層またはガス拡散層の細孔を簡便かつ定量的に測定する方法
及び装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and is a method for easily and quantitatively measuring the pores of a porous body, particularly a catalyst layer or a gas diffusion layer of a solid polymer fuel cell. And an apparatus.

本発明において上記の課題を解決するための手段として、多孔質試料の表面または断面の電子顕微鏡画像を取得する工程と、前記電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する工程とを含む細孔測定方法において、前記電子顕微鏡画像から、前記多孔質試料の形状または組成分布に起因する輝度ムラ、または前記多孔質試料と電子顕微鏡の組み合わせに起因する輝度ムラを除去する工程を含むことを特徴とする細孔測定方法である。   As means for solving the above-described problems in the present invention, a step of obtaining an electron microscope image of the surface or cross section of the porous sample, a step of separating the pore region and the region other than the pores of the electron microscope image, Including a step of removing luminance unevenness due to the shape or composition distribution of the porous sample, or luminance unevenness due to a combination of the porous sample and the electron microscope, from the electron microscope image. This is a method for measuring pores.

また、請求項2に記載の発明は、前記輝度ムラを除去する工程で空間周波数フィルタを用いることを特徴とする請求項1に記載の細孔測定方法である。   The invention according to claim 2 is the pore measuring method according to claim 1, wherein a spatial frequency filter is used in the step of removing the luminance unevenness.

また、請求項3に記載の発明は、前記空間周波数フィルタは高速フーリエ変換を利用した空間周波数フィルタであることを特徴とする請求項2に記載の細孔測定方法である。   The invention according to claim 3 is the pore measuring method according to claim 2, wherein the spatial frequency filter is a spatial frequency filter using fast Fourier transform.

また、請求項4に記載の発明は、前記電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する工程で、最大エントロピー法または大津の方法またはKittlerの方法を用いた2値化処理で分離することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の細孔測定方法である。   The invention according to claim 4 is a step of separating the pore region and the region other than the pores of the electron microscope image by binarization processing using the maximum entropy method, the Otsu method, or the Kittler method. It is isolate | separated, It is a pore measuring method as described in any one of Claims 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned.

また、請求項5に記載の発明は、多孔質試料の表面または断面の電子顕微鏡画像を取得する手段と、前記電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する手段とを併せ持つ細孔測定装置において、前記電子顕微鏡画像から、前記多孔質試料の形状または組成分布に起因する輝度ムラ、または前記多孔質試料と電子顕微鏡の組み合わせに起因する輝度ムラを除去する手段を含むことを特徴とする細孔測定装置である。   In addition, the invention according to claim 5 is a fine combination of means for acquiring an electron microscope image of the surface or cross section of a porous sample, and means for separating a pore region and a region other than the pores of the electron microscope image. The pore measuring apparatus includes means for removing, from the electron microscope image, luminance unevenness due to the shape or composition distribution of the porous sample, or luminance unevenness due to a combination of the porous sample and the electron microscope. It is a pore measuring device.

請求項1に記載の発明は、電子顕微鏡画像から試料の形状または組成分布あるいは試料と電子顕微鏡の組み合わせに起因する輝度ムラを除去する工程を含む。これにより、FIB加工で触媒層表面に掘った穴の中をSEM撮影したときに見られる輝度ムラや、触媒層表面や断面で見られる細孔以外の領域の組成分布に起因する輝度ムラ、電子顕微鏡画像にしばしば含まれるチャージアップやエッジ効果等による輝度ムラの影響を除去することができるため、細孔の測定を高精度に行うことができる。   The invention described in claim 1 includes a step of removing luminance unevenness caused by the shape or composition distribution of the sample or the combination of the sample and the electron microscope from the electron microscope image. As a result, the brightness unevenness seen when SEM images are taken in the hole dug in the catalyst layer surface by FIB processing, the brightness unevenness due to the composition distribution of the region other than the pores seen on the catalyst layer surface or cross section, the electron Since the influence of luminance unevenness due to charge-up and edge effects that are often included in microscopic images can be removed, the measurement of pores can be performed with high accuracy.

請求項2に記載の発明では、前記輝度ムラを除去する工程として空間周波数フィルタを用いることにより、代表的な細孔サイズと異なる空間スケールで変化する輝度ムラを効率的に除去することができるため、細孔の測定をさらに高精度に行うことができる。   In the invention according to claim 2, since the spatial frequency filter is used as the step of removing the luminance unevenness, the luminance unevenness changing at a spatial scale different from the representative pore size can be efficiently removed. The pores can be measured with higher accuracy.

請求項3に記載の発明では、前記空間周波数フィルタとして高速フーリエ変換(FFT)を利用した空間周波数フィルタを用いることで、細孔の測定をさらに高精度かつ高速に行うことができる。   In the invention according to claim 3, by using a spatial frequency filter using fast Fourier transform (FFT) as the spatial frequency filter, it is possible to measure the pores with higher accuracy and higher speed.

請求項4に記載の発明では、前記電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する工程として、最大エントロピー法または大津の方法またはKittlerの方法による2値化処理を用いることで、顕微鏡画像の明るさやコントラスト、ノイズなどに左右されずに2値化閾値を決定することができるため、細孔の測定をさらに高精度に行うことができる。   In the invention according to claim 4, by using the binarization processing by the maximum entropy method or the method of Otsu or the method of Kittler as the step of separating the pore region and the region other than the pore of the electron microscope image, Since the binarization threshold can be determined without being affected by the brightness, contrast, noise, and the like of the microscopic image, the pores can be measured with higher accuracy.

請求項5に記載の発明では、請求項1乃至4いずれか一項に記載の方法を用いることにより、上述のいずれかの効果が得られる。   In the invention according to claim 5, any of the above-described effects can be obtained by using the method according to any one of claims 1 to 4.

以上、本発明は、多孔質体、特に固体高分子形燃料電池の触媒層またはガス拡散層の細孔を簡便かつ定量的に測定できるという効果がある。   As described above, the present invention has an effect that the pores of the porous body, particularly the catalyst layer or gas diffusion layer of the solid polymer fuel cell can be measured easily and quantitatively.

本発明実施例2の処理手順を示すフローチャートThe flowchart which shows the process sequence of this invention Example 2. 固体高分子形燃料電池単セルの断面模式図Cross-sectional schematic diagram of a single polymer electrolyte fuel cell unit cell 本発明実施例1における触媒層表面SEM画像を示す図The figure which shows the SEM image of the catalyst layer surface in this invention Example 1 本発明実施例1における触媒層表面SEM画像の第一の2値化結果を示す図The figure which shows the 1st binarization result of the catalyst layer surface SEM image in this invention Example 1. 本発明実施例1における触媒層表面SEM画像の第二の2値化結果を示す図The figure which shows the 2nd binarization result of the catalyst layer surface SEM image in this invention Example 1. 本発明実施例1における触媒層表面SEM画像から輝度ムラを除去した結果を示す図The figure which shows the result of having removed the brightness nonuniformity from the catalyst layer surface SEM image in this invention Example 1. 本発明実施例1における触媒層表面SEM画像から輝度ムラを除去した画像の2値化結果を示す図The figure which shows the binarization result of the image which removed the brightness nonuniformity from the catalyst layer surface SEM image in this invention Example 1. 本発明実施例1の試料を含む4試料に対して、本発明の方法を用いて触媒層表面の細孔面積率を計測した結果を示す図The figure which shows the result of having measured the pore area ratio of the catalyst layer surface using the method of this invention with respect to 4 samples including the sample of this invention Example 1. FIG. 本発明実施例2における触媒層断面SEM画像を示す図The figure which shows the catalyst layer cross-section SEM image in this invention Example 2. 本発明実施例2における触媒層断面SEM画像の第一の2値化結果を示す図The figure which shows the 1st binarization result of the catalyst layer cross section SEM image in this invention Example 2. 本発明実施例2における触媒層断面SEM画像から輝度ムラを除去した画像の2値化結果を示す図The figure which shows the binarization result of the image which removed the brightness nonuniformity from the catalyst layer cross-section SEM image in this invention Example 2. 本発明実施例2における触媒層断面SEM画像を含む合計10枚のSEM画像から測定した断面細孔面積率分布を示す図The figure which shows the cross-sectional pore area ratio distribution measured from the SEM image of a total of 10 sheets containing the catalyst layer cross-sectional SEM image in this invention Example 2. FIG.

以下に、本発明の様々な実施形態を図面を参照しながら説明する。   Various embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の方法は、多孔質試料の表面または断面の電子顕微鏡画像を取得する工程を含む。試料の断面出し方法としては収束イオンビーム(FIB)加工やミクロトーム加工、あるいは凍結破断などの様々な公知の方法が利用できるが、断面の平坦性が高く脆弱な試料であっても断面細孔の乱れが小さいなどの特徴によりFIB加工が特に好適である。FIB加工やミクロトーム加工にあたっては、熱による断面細孔の損傷を低減するため液体窒素等による冷却を行ってもよい。クライオFIB加工あるいはクライオミクロトーム加工と呼ばれる方法がこれに相当する。また断面細孔の損傷を防ぐため、あるいは断面顕微鏡画像における細孔領域と細孔以外の領域の判別を容易にするために、断面出しに先立って樹脂包埋等の前処理を行ってもよい。電子顕微鏡としては走査電子顕微鏡(SEM)や透過電子顕微鏡(TEM)、あるいは走査型透過電子顕微鏡(STEM)などを用いることができる。   The method of the present invention includes obtaining an electron microscope image of the surface or cross section of a porous sample. Various known methods such as focused ion beam (FIB) processing, microtome processing, or freeze fracture can be used as a method for obtaining a cross section of the sample. FIB processing is particularly suitable due to features such as small disturbance. In FIB processing or microtome processing, cooling with liquid nitrogen or the like may be performed to reduce damage to the cross-sectional pores due to heat. A method called cryo FIB processing or cryomicrotome processing corresponds to this. Further, in order to prevent damage to the cross-sectional pores or to easily distinguish the pore region and the region other than the pores in the cross-sectional microscopic image, pre-processing such as resin embedding may be performed before the cross-sectional view. . As the electron microscope, a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), a scanning transmission electron microscope (STEM), or the like can be used.

本発明の方法は、電子顕微鏡画像から電子顕微鏡光学系や撮像素子に起因する輝度ムラを除去するシェーディング補正の工程を含んでもよい。   The method of the present invention may include a shading correction step of removing luminance unevenness caused by an electron microscope optical system or an image sensor from an electron microscope image.

電子顕微鏡画像から、試料の形状または組成分布あるいは試料と電子顕微鏡の組み合わせに起因する輝度ムラを除去する工程としては、各種の画像処理フィルタを用いることができる。たとえば電子顕微鏡画像取得時のチャージアップやエッジ効果による輝度ムラのような、代表的な細孔サイズより小さい空間スケールで変化する輝度ムラを除去するためにはメディアンフィルタやガウシアンフィルタなどの平滑化フィルタが適している。   Various image processing filters can be used as a step of removing luminance unevenness caused by the shape or composition distribution of the sample or the combination of the sample and the electron microscope from the electron microscope image. For example, smoothing filters such as median filters and Gaussian filters are used to remove brightness unevenness that changes on a smaller spatial scale than typical pore sizes, such as charge-up during electron microscope image acquisition and brightness unevenness due to edge effects. Is suitable.

一方、電子顕微鏡画像には、代表的な細孔サイズより大きな空間スケールで変化する輝度ムラもしばしば見られる。図9は固体高分子形燃料電池の触媒層をFIB加工で切断した断面のSEM画像(倍率は約1万倍)である。画像に見られる細孔断面12や細孔断面
13は、触媒層中に三次元的ネットワーク構造を形成している細孔の断面であり、SEM画像では輝度が低く見える。一方、図9のSEM画像中の固体切断面14は、触媒層を構成する固体がFIBによって切断されてできた切断面であり、細孔断面12、13よりも輝度が高く見えている。固体切断面15は、固体切断面14と同じくFIBによって切断されてできた固体切断面であるが、固体切断面15の平均輝度は固体切断面14に比べて低い。これは固体切断面14と固体切断面15では局所的な組成(カーボン粒子と電解質の比率など)が異なり、二次電子放出率やチャージアップのしやすさに違いがあるためと考えられる。また図9のSEM画像には全体的に輝度ムラがあり、画像上方に比べて画像下方、特に左下の部分(固体切断面16の周辺)は平均輝度が低い。これは組成の分布に加えて、試料の幾何学的形状も影響していると考えられる。このような代表的な細孔サイズより大きな空間スケールで変化する輝度ムラを除去する工程としては、ハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタのような空間周波数フィルタが有効であり、高速フーリエ変換(FFT)を用いた空間周波数フィルタが特に好適である。
On the other hand, in the electron microscope image, luminance unevenness changing on a spatial scale larger than a typical pore size is often seen. FIG. 9 is an SEM image (magnification is about 10,000 times) of a cross section of the solid polymer fuel cell catalyst layer cut by FIB processing. The pore cross section 12 and the pore cross section 13 seen in the image are cross sections of the pores forming a three-dimensional network structure in the catalyst layer, and the brightness appears low in the SEM image. On the other hand, the solid cut surface 14 in the SEM image of FIG. 9 is a cut surface formed by cutting the solid constituting the catalyst layer with FIB, and the luminance looks higher than the pore cross sections 12 and 13. The solid cut surface 15 is a solid cut surface that is cut by FIB in the same manner as the solid cut surface 14, but the average brightness of the solid cut surface 15 is lower than that of the solid cut surface 14. This is presumably because the local composition (carbon particle / electrolyte ratio, etc.) is different between the solid cut surface 14 and the solid cut surface 15, and the secondary electron emission rate and the ease of charge-up are different. In addition, the SEM image in FIG. 9 has luminance unevenness as a whole, and the average luminance is lower in the lower part of the image, particularly in the lower left part (around the solid cut surface 16), compared to the upper part of the image. This is considered to be due to the influence of the sample geometry in addition to the composition distribution. A spatial frequency filter such as a high-pass filter or a band-pass filter is effective as a process for removing luminance unevenness that changes on a spatial scale larger than the typical pore size, and uses a fast Fourier transform (FFT). The spatial frequency filter used is particularly suitable.

電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する工程としては、パーセンタイル法、モード法、最大エントロピー法、大津の方法(たとえば非特許文献2を参照。)、Kittlerの方法(たとえば非特許文献3を参照。)、微分ヒストグラム法、ラプラシアンヒストグラム法など様々な公知の閾値決定方法を用いた2値化処理が利用可能であるが、元となる画像の明るさやコントラスト、ノイズなどに左右されにくい安定した結果が得られることから、最大エントロピー法または大津の方法またはKittlerの方法を用いた2値化処理が好適である。また画像全体を複数の領域に分割し、各々の領域ごとに前述の閾値決定方法などを適用して2値化処理を行うことも可能である。また特許文献3の方法のように、微分フィルタなどを用いて抽出したエッジ等により画像を多数の領域に分割し、各々の領域ごとに平均輝度やヒストグラムの形、輪郭のエッジ強度などに注目して、その領域が細孔領域であるか細孔以外の領域であるかを判別する処理を行うことも可能である。   As a process of separating the pore region and the region other than the pore of the electron microscope image, the percentile method, the mode method, the maximum entropy method, the Otsu method (for example, refer to Non-Patent Document 2), the Kittler method (for example, the non-patent method) Binarization processing using various known threshold determination methods such as a differential histogram method and a Laplacian histogram method can be used. However, it depends on the brightness, contrast, noise, etc. of the original image. Since a stable result that is difficult to be obtained is obtained, a binarization process using the maximum entropy method, the Otsu method, or the Kittler method is preferable. It is also possible to divide the entire image into a plurality of regions and perform binarization processing by applying the above-described threshold value determination method or the like for each region. In addition, as in the method of Patent Document 3, an image is divided into a large number of regions using edges extracted using a differential filter or the like, and attention is paid to the average luminance, the shape of a histogram, the edge strength of the contour, etc. for each region. Thus, it is possible to determine whether the region is a pore region or a region other than the pore.

以下、本発明の実施例1について図面を参照しながら説明する。   Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図3は固体高分子形燃料電池のカソード触媒層表面をSEM(日立ハイテクノロジーズ社製)により触媒層表面の法線方向から撮影した画像(倍率は約5千倍)である。この触媒層は白金系触媒粒子を担持したカーボン粒子と電解質(パーフルオロスルホン酸ポリマー)からなり、電解質膜(パーフルオロスルホン酸ポリマー)の両面に厚さ約5μmで形成されている。   FIG. 3 is an image (magnification is about 5,000 times) of the cathode catalyst layer surface of the polymer electrolyte fuel cell taken from the normal direction of the catalyst layer surface by SEM (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). This catalyst layer is composed of carbon particles carrying platinum-based catalyst particles and an electrolyte (perfluorosulfonic acid polymer), and is formed with a thickness of about 5 μm on both surfaces of the electrolyte membrane (perfluorosulfonic acid polymer).

図3のSEM画像に多数見られる、明瞭な輪郭を持つ輝度の低い領域(細孔8など)は触媒層表面に現れた細孔である。一方、固体表面9のように比較的輝度が高い領域は、触媒層を構成する固体(カーボン粒子と電解質の混合物)の表面である。固体表面には、その局所的な組成分布に起因すると考えられる輝度ムラが見られる。たとえば固体表面10の周辺では平均輝度が低いが、その輝度が低い領域の輪郭はぼやけており、その領域の中にも細孔と見られる領域(細孔11など)が存在することから、この領域は細孔ではなく固体表面であることがわかる。   A low-luminance region (such as the pore 8) having a clear outline, which is often seen in the SEM image of FIG. 3, is a pore that appears on the surface of the catalyst layer. On the other hand, the region having a relatively high luminance like the solid surface 9 is the surface of the solid (mixture of carbon particles and electrolyte) constituting the catalyst layer. On the solid surface, luminance unevenness that is considered to be caused by the local composition distribution is observed. For example, the average luminance is low around the solid surface 10, but the contour of the low luminance region is blurred, and there are regions (such as the pores 11) seen as pores in the region. It can be seen that the region is not a pore but a solid surface.

図3のSEM画像の細孔領域(細孔8など)と固体表面領域(固体表面9など)の輝度の違いに注目して、2値化処理によって両領域の判別を試みた結果が図4である。細孔8と固体表面9はほぼ正しく判別できているものの、固体表面10の周辺は、輝度ムラにより細孔と誤判別されてしまっている。   Focusing on the difference in brightness between the pore area (pore 8 etc.) and the solid surface area (solid surface 9 etc.) in the SEM image of FIG. 3, the result of an attempt to discriminate both areas by binarization processing is shown in FIG. It is. Although the pores 8 and the solid surface 9 can be discriminated almost correctly, the periphery of the solid surface 10 is erroneously discriminated as pores due to uneven brightness.

図5は、図4と同様に図3のSEM画像を2値化処理した結果であるが、固体表面10
の周辺が固体表面として正しく判別されるように2値化処理の閾値を調整したものである。しかしながら、この場合は細孔領域のかなりの部分が消失あるいは縮小しており、この結果から細孔面積率などを精度よく測定することは困難である。
FIG. 5 shows the result of binarizing the SEM image of FIG. 3 as in FIG.
The threshold value of the binarization process is adjusted so that the periphery of is correctly identified as a solid surface. However, in this case, a considerable portion of the pore region disappears or shrinks, and it is difficult to accurately measure the pore area ratio and the like from this result.

図6は、図3のSEM画像に高速フーリエ変換(FFT)を施し、0.5μm以上の周期を持つ輝度変動成分を除去した上で逆変換を施した画像である。この処理により、固体表面の局所的な組成分布に起因すると考えられる輝度ムラはほぼ完全に除去された。さらに図6の画像に対して、メディアンフィルタ(半径0.01μm相当)を用いてノイズを除去した後に、大津の方法を用いて決定した閾値による2値化処理を行った結果が図7である。これらの一連の画像処理により、細孔(細孔8、11など)と固体表面(固体表面9、10など)を正しく判別することができた。また、触媒層の製造工程の条件や材料の配合を変えて作成した複数の試料に対して同様の測定法を適用した結果を図8に示す。図8中の標準サンプルが本実施例1の試料である。こうして触媒層の製造工程の条件や材料の配合が触媒層表面の細孔面積率に及ぼす影響について、さらには燃料電池の発電特性、特にフラッディング特性に及ぼす影響について有用な知見を得ることができた。   FIG. 6 is an image obtained by applying fast Fourier transform (FFT) to the SEM image of FIG. 3 and removing the luminance fluctuation component having a period of 0.5 μm or more and then performing inverse transform. By this treatment, the luminance unevenness considered to be caused by the local composition distribution on the solid surface was almost completely removed. Further, FIG. 7 shows a result of performing binarization processing on the image of FIG. 6 using a threshold determined by the method of Otsu after removing noise using a median filter (equivalent to a radius of 0.01 μm). . Through these series of image processing, the pores (pores 8, 11 etc.) and the solid surface (solid surfaces 9, 10, etc.) could be correctly discriminated. FIG. 8 shows the result of applying the same measurement method to a plurality of samples prepared by changing the conditions of the manufacturing process of the catalyst layer and the blending of the materials. The standard sample in FIG. 8 is the sample of Example 1. In this way, we were able to obtain useful knowledge about the influence of the catalyst layer manufacturing process conditions and material composition on the pore area ratio of the catalyst layer surface, and further on the power generation characteristics of the fuel cell, especially the flooding characteristics. .

以下、本発明の実施例2について図面を参照しながら説明する。   Embodiment 2 of the present invention will be described below with reference to the drawings.

なお図1は、実施例2における細孔測定手順の概略を示すフローチャートである。   FIG. 1 is a flowchart showing an outline of a pore measurement procedure in Example 2.

図9は、前にも説明した通り固体高分子形燃料電池の触媒層をFIB加工で切断した断面のSEM画像(倍率は約1万倍)である。この触媒層は白金系触媒粒子を担持したカーボン粒子と電解質(パーフルオロスルホン酸ポリマー)からなり、電解質膜(パーフルオロスルホン酸ポリマー)の両面に厚さ約5μmで形成されている。この触媒層付電解質膜の表面にFIB加工で穴(約10μm角、深さ約7μm)を掘り、その側壁断面に白金導電膜を蒸着し、斜め(観察する断面の法線に対して45度方向)からSEM(日立ハイテクノロジーズ社製)で撮影した画像を縦に1.414倍に引き伸ばして傾斜補正した後、メディアンフィルタ(半径0.01μm相当)を用いてノイズを除去した結果が図9のSEM画像である。なおこのSEM画像の上方は触媒層の表面方向、画像の下方は穴の底方向に対応する。このSEM画像には、前にも述べたように局所的な組成の分布やSEM撮影時のチャージアップ、試料の幾何学的形状などに起因すると考えられる輝度ムラが見られる。   FIG. 9 is a SEM image (magnification is about 10,000 times) of a cross section of the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell cut by FIB processing as described above. This catalyst layer is composed of carbon particles carrying platinum-based catalyst particles and an electrolyte (perfluorosulfonic acid polymer), and is formed with a thickness of about 5 μm on both surfaces of the electrolyte membrane (perfluorosulfonic acid polymer). A hole (approximately 10 μm square, depth approximately 7 μm) is dug in the surface of the electrolyte membrane with a catalyst layer by FIB processing, a platinum conductive film is deposited on the side wall cross section, and oblique (45 degrees with respect to the normal of the cross section to be observed) 9), the image taken with SEM (manufactured by Hitachi High-Technologies Corp.) was stretched vertically by 1.414 times to correct the tilt, and then the noise was removed using a median filter (equivalent to a radius of 0.01 μm). It is a SEM image of. The upper side of the SEM image corresponds to the surface direction of the catalyst layer, and the lower side of the image corresponds to the bottom direction of the hole. In this SEM image, as described above, luminance unevenness considered to be caused by local composition distribution, charge-up at the time of SEM imaging, geometrical shape of the sample, etc. is observed.

このような輝度ムラがない画像の場合は、適切な方法で決定した閾値を用いて2値化処理を行うことで、細孔断面と固体切断面とを判別し、細孔断面の面積率を求めたり、細孔をサイズ別に計数処理して細孔分布を求めることができる。   In the case of an image without such uneven brightness, binarization processing is performed using a threshold value determined by an appropriate method, so that the pore cross section and the solid cut surface are distinguished, and the area ratio of the pore cross section is calculated. The pore distribution can be obtained by obtaining or counting the pores by size.

図10は、図9のSEM画像に対して最大エントロピー法を用いて決定した閾値による2値化処理を行った結果である。細孔断面12や細孔断面13は細孔断面と判別されたため黒くなり、固体切断面14は固体切断面と判別されたため白くなっている。しかし、図9のSEM画像に含まれていた輝度ムラのために、本来固体切断面として判別されるべき固体切断面15はほぼ全体が黒くなり、細孔断面と誤判別されてしまったことがわかる。同様に図9のSEM画像で暗く写っていた画像の下方、特に左下の部分(固体切断面16の周辺)はほとんどが黒くなっており、細孔断面と固体切断面とが正しく判別されていないことがわかる。   FIG. 10 shows the result of binarization processing using the threshold value determined using the maximum entropy method on the SEM image of FIG. The pore cross section 12 and the pore cross section 13 are black because they are determined as pore cross sections, and the solid cut surface 14 is white because it is determined as a solid cut surface. However, due to the luminance unevenness included in the SEM image of FIG. 9, the solid cut surface 15 that should be originally identified as a solid cut surface is almost entirely black and has been misclassified as a pore cross section. Recognize. Similarly, in the SEM image of FIG. 9, the lower part of the image, particularly the lower left part (the periphery of the solid cut surface 16) is almost black, and the pore cross section and the solid cut surface are not correctly discriminated. I understand that.

一方、図11は、図9のSEM画像に高速フーリエ変換(FFT)を施し、1μm以上の周期を持つ輝度変動成分を除去した上で逆変換を施した画像に、最大エントロピー法を用いて決定した閾値による2値化処理を行った結果である。FFTハイパスフィルタを用
いることで、代表的な細孔サイズより大きな空間スケールで変化する輝度ムラをほとんど除去することができたため、細孔断面(細孔断面12、13など)と固体切断面(固体切断面14、15、16など)を正しく判別することができた。
On the other hand, FIG. 11 is determined using the maximum entropy method on the image obtained by performing fast Fourier transform (FFT) on the SEM image of FIG. 9 and removing the luminance fluctuation component having a period of 1 μm or more and then performing inverse transform. It is the result of performing the binarization process by the threshold value. By using the FFT high-pass filter, luminance unevenness that changes on a spatial scale larger than the typical pore size can be almost eliminated, so that the pore cross-section (pore cross-section 12, 13 etc.) and the solid cut surface (solid The cut surfaces 14, 15, 16, etc.) could be correctly identified.

図9のSEM画像と同じ試料で同じ方法により取得した合計10枚のSEM画像に対して、図11について説明したのと同じ一連の画像処理を施して2値化した後、細孔をサイズ別に計数処理することで、断面細孔面積率の分布を求めた結果が図12のグラフである。このようにして固体高分子形燃料電池触媒層の断面SEM画像から細孔分布を測定することが可能となり、触媒層の製造工程の条件や材料の配合が触媒層の細孔構造に及ぼす影響や、触媒層中の物質輸送が燃料電池の発電特性に及ぼす影響について有益な知見を得ることができた。   A total of ten SEM images obtained by the same method using the same sample as the SEM image of FIG. 9 are binarized by performing the same series of image processing as described for FIG. The result of obtaining the distribution of the cross-sectional pore area ratio by performing the counting process is the graph of FIG. In this way, it is possible to measure the pore distribution from the cross-sectional SEM image of the polymer electrolyte fuel cell catalyst layer, and the effects of the catalyst layer manufacturing process conditions and material composition on the pore structure of the catalyst layer In addition, useful information was obtained about the influence of the material transport in the catalyst layer on the power generation characteristics of the fuel cell.

本発明は多孔質体の細孔構造測定評価一般に利用可能であるが、特に固体高分子形燃料電池の触媒層またはガス拡散層の細孔構造の測定評価に好適である。   The present invention can be generally used for measurement and evaluation of the pore structure of a porous body, but is particularly suitable for measurement and evaluation of the pore structure of a catalyst layer or a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell.

1・・・セパレータ
1a・・流路
2・・・ガス拡散層
3・・・アノード触媒層
4・・・電解質膜
5・・・カソード触媒層
6・・・ガス拡散層
7・・・セパレータ
7a・・流路
8・・・細孔
9・・・固体表面
10・・固体表面
11・・細孔
12・・細孔断面
13・・細孔断面
14・・固体切断面
15・・固体切断面
16・・固体切断面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Separator 1a ... Flow path 2 ... Gas diffusion layer 3 ... Anode catalyst layer 4 ... Electrolyte membrane 5 ... Cathode catalyst layer 6 ... Gas diffusion layer 7 ... Separator 7a ··· Channel 8 ··· Pore 9 ··· Solid surface 10 · · Solid surface 11 · · Pore 12 · · Pore cross section 13 · · Pore cross section 14 · · Solid cut surface 15 · · Solid cut surface 16. Solid cut surface

Claims (5)

多孔質試料の表面または断面の電子顕微鏡画像を取得する工程と、前記電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する工程とを含む細孔測定方法において、前記電子顕微鏡画像から、前記多孔質試料の形状または組成分布に起因する輝度ムラ、または前記多孔質試料と電子顕微鏡の組み合わせに起因する輝度ムラを除去する工程を含むことを特徴とする細孔測定方法。   In the pore measurement method comprising the steps of obtaining an electron microscope image of the surface or cross section of the porous sample, and separating the pore region and the non-pore region of the electron microscope image, from the electron microscope image, A method for measuring pores, comprising a step of removing luminance unevenness due to a shape or composition distribution of the porous sample or luminance unevenness due to a combination of the porous sample and an electron microscope. 前記輝度ムラを除去する工程で空間周波数フィルタを用いることを特徴とする請求項1に記載の細孔測定方法。   2. The pore measuring method according to claim 1, wherein a spatial frequency filter is used in the step of removing the luminance unevenness. 前記空間周波数フィルタは高速フーリエ変換を利用した空間周波数フィルタであることを特徴とする請求項2に記載の細孔測定方法。   The pore measuring method according to claim 2, wherein the spatial frequency filter is a spatial frequency filter using a fast Fourier transform. 前記電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する工程で、最大エントロピー法または大津の方法またはKittlerの方法を用いた2値化処理で分離することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の細孔測定方法。   The step of separating the pore region and the region other than the pore of the electron microscope image is separated by a binarization process using a maximum entropy method, an Otsu method, or a Kittler method. 4. The pore measuring method according to any one of 3 above. 多孔質試料の表面または断面の電子顕微鏡画像を取得する手段と、前記電子顕微鏡画像の細孔領域と細孔以外の領域を分離する手段とを併せ持つ細孔測定装置において、前記電子顕微鏡画像から、前記多孔質試料の形状または組成分布に起因する輝度ムラ、または前記多孔質試料と電子顕微鏡の組み合わせに起因する輝度ムラを除去する手段を含むことを特徴とする細孔測定装置。   In the pore measuring apparatus having both means for obtaining an electron microscope image of the surface or cross section of the porous sample and means for separating the pore region of the electron microscope image and the region other than the pore, from the electron microscope image, A pore measuring apparatus comprising means for removing luminance unevenness due to the shape or composition distribution of the porous sample or luminance unevenness due to a combination of the porous sample and an electron microscope.
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