Sondieren und Mapping-Elektrode Oberflächen in Solid Oxide Fuel Cells

Ziel des folgenden Experiments ist es, das Verständnis der Reaktions- und Degradationsmechanismen von Festoxid-, Brennstoffzellen- oder SOFC-Elektroden für Zellen zu fördern, die mit Kohlenwasserstoff- und Schwefelkontaminierten Brennstoffen betrieben werden. Dies gibt Einblicke in das rationale Design von SOFC-Materialien. Dies wird erreicht, indem Zellen mit einer Arbeitselektrode hergestellt werden, die aus einer Nickelnetzelektrode besteht, die in Irea, stabilisiertem Zirkonoxid oder YSC eingebettet ist, und die elektrochemische Leistung und Stabilität der Zellen in kohlenwasserstoff- und schwefelwasserstoffhaltigen Brennstoffen getestet wird.

In einem zweiten Schritt wird die Raman-Spektroskopie an der Netzelektrode sowohl unter in situ U- als auch unter XE-Bedingungen durchgeführt, die Aufschluss über die chemischen Spezies und Phasen gibt, die an der Elektrodendegradation beteiligt sind, wo die Degradation stattfindet und wie sie verhindert werden kann. Als nächstes werden Rastersondenmikroskopie-Techniken verwendet, um die Elektrode zu charakterisieren und die Elektrodendegradation und Oberflächenmorphologie auf der Nanometerskala sichtbar zu machen. Der Hauptvorteil dieser Techniken gegenüber anderen Oberflächenanalysemethoden, wie z. B. der Elektronen-SPECT-Methode, besteht darin, dass sie für den Betrieb kein Hochvakuum benötigen.

Diese Methoden können dazu beitragen, nützliche Informationen auf dem Gebiet der Festoxid-Brennstoffzellen zu sammeln, wie z. B. die Art der Mechanismen, die die Leistung und Degradation der Elektrode bestimmen. Die Implikationen dieser Techniken erstrecken sich auf mikroskopische Oskopie und Energieumwandlungsprozesse. Daher wären sie für reife Wissenschaftler, Elektrochemiker, Spezialkopien und andere Interessenten von Interesse.

Diese Techniken wurden jedoch für die Untersuchung und Kartierung von Elektrodenoberflächenprozessen in Salzoxid-Brennstoffzellen entwickelt. Sie können auch auf elektrochemische Systeme wie Batterien und Supers angewendet werden. Um mit der Herstellung der Anodenzelle zu beginnen, wiegen Sie zwei Chargen von zwei Zehntel Gramm YSZ-Pulver mit einer einachsigen Trockenpresse und einer zylindrischen Edelstahlform ab.

einem Durchmesser von 13 Millimetern wird eine Charge YSZ-Pulver bei einem Druck von 50 Megapascal 30 Sekunden lang komprimiert. Schneiden Sie dann ein weniger als einen Zentimeter großes Stück mit 50 Nickelgewebe aus 50 Mikrometer Draht ab und legen Sie es auf die Oberfläche der Draht-Z-Scheibe in der Form. Geben Sie als Nächstes die anderen zwei Zehntel Gramm YSC-Pulver auf das Nickelnetz in der Form und glätten Sie die Oberfläche des Pulvers mit einem Stößel.

Drücken Sie das Nickel-Mesh-Sandwich zwischen Packungen YSC-Pulver uniaxial und ein Druck von 300 MegaPath skaliert 30 Sekunden lang. Entnehmen Sie nun das gepresste Nickel YSC Pellet aus der Form. Legen Sie das Pellet in einen Zirkonoxid-Tiegel und stellen Sie den Tiegel in einen horizontalen Rohrofen mit einer strömenden reduzierenden Gasatmosphäre aus 4 % molekularem Wasserstoff und 96 % Argon.

Brennen Sie das Pellet fünf Stunden lang bei 1.440 Grad SIUs, nachdem die Elektrode hergestellt und abgekühlt wurde. Schleifen Sie eine Fläche des zentrierten Drahtes C mechanisch von der Probe ab, indem Sie sechs Mikrometer Diamantkörnung verwenden, bis die Nickelnetzoberfläche freigelegt ist. Fahren Sie mit dem Polieren der freiliegenden Nickelnetzoberfläche mit drei Mikrometern, einem Mikrometer und 0,1 Mikrometern Diamantmedium in einer Wasser-Ethylenglykol-Suspension für etwa eine Minute in jeder Polierstufe fort, um ein Netz mit erhöhtem Beschichtungwiderstand zu erzeugen.

Ordnen Sie die Probe nach dem Reinigen und Trocknen an und vergraben Sie das Amidpulver so im Tiegel, dass sie sich nicht berühren. Anschließend wird die Probe zwei Stunden lang bei 1.200 Grad Celsius in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt. Bereiten Sie die Probe für die elektrochemische Prüfung vor, indem Sie die C-Oberfläche des Drahtes gegenüber dem Nickelnetz mit einem Pinsel mit Silberpaste bemalen, um als Gegenelektrode zu fungieren.

Befestigen Sie nach dem Trocknen einen aufgewickelten Silberdraht mit Silberpaste an der Gegenelektrode und verbinden Sie einen Silberdraht mit einem Durchmesser von 0,2 Millimetern mit Silberpaste an der Spitze mit dem Nickelnetz. Nach dem Trocknen der Probe versiegeln Sie die Zelle erneut mit dem Nickelnetz nach unten auf einem drei Achtel Zoll großen keramischen Küvettenvorrichtungsrohr mit einer Remco-Dichtung 5 5 2, auch bekannt als Cera-Bindung. Nachdem das Dichtmittel getrocknet ist, verbinden Sie die isolierten Silberdrähte mit den Elektrodenführungsdrähten.

Montieren Sie anschließend die Zellenhalterung in einem Rohrofen. Schließen Sie die Leuchte an eine Gasleitung an und schließen Sie die Drähte an elektrochemische Prüfgeräte an. Als nächstes blasen Sie ultrahochreines molekulares Wasserstoffgas durch Wasser bei Raumtemperatur, um es auf 3% Wasservolumen zu befeuchten.

Leiten Sie dieses befeuchtete Gas mit einer Geschwindigkeit von 50 Standardkubikzentimetern pro Minute durch die Zellenhalterung. Nachdem Sie die Zelle ordnungsgemäß erhitzt und die Silbergegenelektrode zentriert haben, rufen Sie die Zelle für die elektrochemische Leistungsprüfung auf 767 Grad Celsius auf. Sobald der Test abgeschlossen ist und die Probe für die Charakterisierung vorbereitet ist, befestigen Sie die Zelle mit Klebeband oder Klebstoff mit der Netzanode nach oben auf der Ramen-Mikroskoptischplatte.

Während der Laser auf eine Grenzfläche aus Nickel und YSC-Substrat fokussiert ist, stellen Sie den RAM und das Spektrometer so ein, dass Spektren aus den Schnittpunkten eines rechteckigen Gitters erhalten werden. Über dem Bereich der Grenzfläche mit Schnittpunkten, die durch zwei Mikrometer getrennt sind, sollten die Spektren um die Wellennummer zentriert werden, die dem interessierenden Raman-Modus entspricht. In diesem Fall werden 980 inverse Zentimeter für Schwefeloxide gewählt.

Der nächste Schritt besteht darin, die Intensität über den Raman-Modus von Interesse für jedes Spektrum zu integrieren und durch eine flache Basislinie mit demselben Spektrum zu dividieren, die relative Intensität kann dann in einer Kontur- und Farbkarte in Bezug auf ihre Koordinaten dargestellt werden. Um die Beschichtungen der Anode zu überwachen, verwenden Sie Silberpaste, um das in Draht C eingebettete Nickelnetz mit dem Rand einer Harrick Scientific Ramen-Hochtemperatur-Reaktionskammerstufe nach oben zu versiegeln. Dann die Ramen-Bühnenkammer verschließen.

Montieren Sie als Nächstes die Probenkammer mit einer C-Grenze aus Nickeldraht auf das Rama-Mikroskop und beginnen Sie, befeuchtetes 4 % molekulares Wasserstoff- und 96 % Argongas mit etwa 100 Standardkubikzentimetern pro Minute durch die Kammer zu fließen. Erhitze nun die Ramen-Kammer auf 625 Grad Celsius. Bringen Sie den Laser in den Fokus und sammeln Sie Baseline-Ramen-Scans von Flecken auf dem Nickelnetz und dem YSC-Substrat im Bereich von 150 bis 2000 inversen Zentimetern.

Führen Sie als nächstes drei bis 5 % Propan in den Gasstrom ein und sammeln Sie in regelmäßigen Abständen Ram und Spektren aus dem Nickel, während das Gas fließt. Um die Ablagerung von Kohlenstoff auf der Oberfläche im Laufe der Zeit zu beobachten. Reine Nickelfolie wird zur Visualisierung der Kohlenstoffabscheidung durch Rasterkraftmikroskopie oder FM und elektrostatische Kraftmikroskopie oder EFM verwendet, wobei ein quadratischer 10 Milliliter x 1 Milliliter großer Coupon verwendet wird, der aus Nickelfolie geschnitten und eine Seite des Coupons bis zu einer Güte von 0,1 Mikrometern poliert wird. Nach den zuvor in einem mit Quarzrohren ausgekleideten Ofen bei 550 Grad Celsius wurde der polierte Nickelcoupon eine Minute lang einem befeuchteten strömenden Gas mit einem Gehalt von 10 % Propan ausgesetzt, das durch Argonne ausgeglichen wurde.

Entnehmen Sie dann die Probe aus dem Ofen und der Quarzrohrauskleidung. Untersuchen Sie die Oberflächenmorphologie durch optische Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie, um die Probe für die Untersuchung mit Rasterkraftmikroskopie und elektrostatischer Kraftmikroskopie vorzubereiten. Befestigen Sie die Probe mit leitfähigem Kupferband auf einem Metallpuck.

Installieren Sie anschließend eine Endbasis aus Silikon, eine FM-Spitze oder eine leitfähige FM-Spitze auf dem Spitzenhalter. Bringen Sie nun die Probe zum A FM. Erfassen Sie dann ein Morphologiebild mit einem FM im Tippmodus, um Informationen im Lift-Modus zu sammeln. Beginnen Sie mit der Hubhöhe bei 100 Nanometern und verringern Sie sie allmählich auf ungefähr den Wert der Oberflächenrauheit, damit die elektrostatische Wechselwirkung stark genug für die EFM-Bildgebung sein kann.

Scannen Sie die Probe in der richtigen Höhe im Hebemodus. Zum Sammeln von Informationen über die Topografie und den Phasenwinkel. Identifizieren Sie eine klare Phase oder morphologische Grenzfläche und sammeln Sie eine Reihe von EFM-Zeilenscans über diese Grenzfläche, während Sie die Probenverzerrung ändern.

Identifizieren Sie dann die Spannung, bei der sich der Kontrast zwischen den beiden Phasen umkehrt, indem Sie die EFM-Zeilenscans bei verschiedenen Probenbias-Potentialen vergleichen. Nehmen Sie dann ein vollständiges Bild mit einer Probenvorspannung auf, die ein bis zwei Volt unter der Schaltspannung liegt, und nehmen Sie ein weiteres Bild mit der Probenvorspannung auf, die ein bis zwei Volt über der Schaltspannung liegt. Der von Kohlenstoff bedeckte Bereich erscheint hell, wenn die Probe negativ verzerrt ist, und dunkel, wenn er durch Abtasten der Probenoberfläche positiv verzerrt wird.

In diesem Modus kann die Verteilung und Oberflächenmorphologie der Kohlenstoffabscheidung ermittelt werden. Die Nickelnetzelektrode wurde sowohl unter molekularen Wasserstoff- als auch unter Schwefelwasserstoffbedingungen auf ihre Leistungsfähigkeit getestet. Typische Ergebnisse für Stromspannungs- und Stromleistungskurven bei 767 Grad Celsius, wie hier gezeigt, kann die Einführung von nur wenigen Teilen pro Million Schwefelwasserstoff zu erheblichen Leistungseinbußen führen.

Hier sind Nyquist-Diagramme für die Zelle vor und nachdem die Anode Brennstoffen ausgesetzt wurde, die keinen und 20 ppm Schwefelwasserstoff bei 767 Grad Celsius enthielten. Die AC-Impedanzspektroskopie der Zelle wurde unter Bedingungen der Leerlaufspannung durchgeführt. Die linke Kurve zeigt das typische Vergiftungsverhalten, die rechte Seite das typische Erholungsverhalten der Zelle bei 767 Grad Celsius.

Unter 20 ppm Schwefelwasserstoff und Gleichstromvorspannung von minus drei Zehntel Volt. Sowohl die Vergiftung als auch die Genesung scheinen innerhalb weniger Minuten abgeschlossen zu sein und einen stabilen Zustand zu erreichen, was sich von den langen Erholungszeiten unterscheidet, die für dickeren Nickeldraht erforderlich sind. Odes hatte zuvor eine optische Mikroskopaufnahme untersucht.

Die C-Schnittstelle des Nickeldrahts ist auf der linken Seite dargestellt. Auf der rechten Seite befindet sich eine Ramen-Karte des gleichen Gebiets. Die Ramen-Karte zeigt die Intensität eines Modus, der mit verschiedenen Schwefeloxiden verbunden ist.

Die Spezies wurden ausschließlich auf der Nickeloberfläche beobachtet und von den Dreiphasengrenzen weg konzentriert. Dieses Bild ist eine optische Mikroaufnahme des in YSZ eingebetteten Nickelnetzes. Dieses Bild zeigt das gleiche Netz nach 15-stündiger Exposition gegenüber propanhaltigem Gas bei 625 Grad Celsius.

Die rechte Abbildung ist ein Raman-Spektro, das in situ von den auf der optischen Mikroskopaufnahme links markierten Flecken nach 15-stündiger Propanexposition aufgenommen wurde. Auf der rechten Seite ist ein Plus der Änderung des Carbon-Ramen-Signals zu sehen. Intensität, die im Laufe der Zeit von der Stelle erfasst wird, die durch den grünen Fleck auf der optischen Mikroskopaufnahme links gekennzeichnet ist.

Diese beiden Paneele ermöglichen den Vergleich des mit Barriereoxid modifizierten Nickel-YSC-Gewebes, um unter den gleichen Bedingungen wie das unmodifizierte Gewebe eine erhöhte Beschichtungsbeständigkeit zu erzielen. Beide wurden 15 Stunden lang bei 625 Grad Celsius mit proppanhaltigem Gas konserviert. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die homogenen dunklen Flecken, die sich auf der Oberfläche von Nickel gebildet haben, nachdem es einem Gas mit einem gewissen Propangehalt ausgesetzt wurde.

Auf der linken Seite sind Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen von Regionen mit unterschiedlichem Coing-Grad zu sehen. Dieselben Bereiche werden auch mit Hilfe der elektrostatischen Kraftmikroskopie auf der rechten Seite abgebildet, während dieses Verfahren versucht wird. Es ist wichtig, daran zu denken, einige Oberflächen so frei wie möglich von anderen Verunreinigungen wie polierten Medien zu halten.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hochtemperaturöfen und brennbaren Gasen äußerst gefährlich sein kann und dass geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten, wie z. B. das Tragen von Schutzausrüstung und die Verwendung geeigneter Alarme. Ich hoffe, dieses Video hat gezeigt, wie Sie Informationen über Elektrodenoberflächenprozesse in Zelloxid-Brennstoffzellen erhalten können, die Ihnen helfen, Elektrodenmaterialien besser zu entwerfen.