固体酸化物形燃料電池の電極表面をプロービングとマッピング

Summary

我々は、複数の特性評価技術の同時パフォーマンスが可能になり、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の電極表面を特徴づけるためのユニークなプラットフォームを提示（例えばインサイチュラマン分光法と走査型プローブ顕微鏡）。これらの分析の補完的な情報は、SOFCのための良い材料の合理的な設計への洞察を提供し、電極反応·劣化メカニズムのより深い理解に向かって進むのを助けるかもしれません。

Abstract

固体酸化物形燃料電池（SOFC）は、潜在的に水素^1月7日を超えて燃料の多種多様の利用に最も効率的で費用対効果の高いソリューションです。 SOFCのと一般的にエネルギー貯蔵·変換デバイスにおける多くの化学とエネルギー変換プロセスの速度の性能は、主に電極表面に沿って電荷と質量移動によっておよびインターフェイスに限定されています。残念なことに、これらのプロセスのメカニズムの理解は、まだ、主に現場条件下でこれらのプロセスを特徴づけるのが困難であるため欠けている。この知識のギャップは、SOFCの実用化への最大の問題である。電極反応に関連する表面化学をプロービングし、マッピングするためのツールの開発は、表面処理のメカニズムを解明し、より効率的なエネルギー貯蔵·変換²用の新しい電極材料の合理的な設計を実現するために不可欠です。 in situで比較的少数の間で</ em>の表面分析法、ラマン分光法は、SOFCアノードの性能や劣化^8月12日に関連する化学プロセスを特徴づけるために理想的な高温や過酷な雰囲気であっても行うことができます。また、潜在的に電気化学の直接的な相関関係は、オペレーティング·セルで化学を表面化することができ、電気化学測定と一緒に使用することができます。なぜなら炭素析出^8を介してアノード性能低下^{、10、13、14（} "コーキング"）および硫黄被毒¹¹を含む関連種に対する感度の重要アノード反応機構をピンポイントのためにその場ラマンマッピング測定で適切なは^、有用であろう¹⁵および表面改質は、この劣化^16を食い止めるする方法。現在の仕事は、この機能において著しい進展を示しています。また、走査型プローブ顕微鏡（SPM）技術の家族が電気を調べるために、特別なアプローチを提供しますデ·ナノスケールの分解能で表面。日常的にAFMやSTMにより収集された表面形状のほかに、このような局所的な電子状態、イオン拡散係数と表面電位などの他のプロパティも^17-22を調べることができます。本研究では、電気化学的測定、ラマン分光法、およびSPMはイットリア安定化ジルコニア（YSZ）電解質中に埋め込まれたNiメッシ​​ュ電極からなる新しい試験電極プラットフォームと組み合わせて使用​​されていました。 H ₂ Sを含有燃料の下のセルの性能試験およびインピーダンス分光法が特徴付けられ、ラマンマッピングはさらに硫黄被毒の性質を解明するために使用された。situラマン監視でコーキング挙動を調査するために使用された。最後に、原子間力顕微鏡（AFM）と静電気力顕微鏡（EFM）をさらにナノスケールでの炭素析出を視覚化するために使用された。この研究から、我々は、SOFCアノードのより完全な画像を生成することを望む。

Protocol

1。 YSZ-組み込みメッシュ陽極セルの作製

1. YSZ粉末の0.2グラムの2つのバッチを量り。
2. 30秒間、50MPaの圧力で一軸プレスを用いて乾燥した円筒形のステンレス鋼の金型内の1つのバッチのYSZ粉末（直径13mm）を圧縮します。
3. Niメッシ​​ュの<1cmの部分をカットし、金型内のYSZディスクの表面の上に置きます。
4. 金型内部のNi-メッシュの上にYSZ粉末の他の0.2グラムを加え、ラムを使用して粉の表面を平らにする。
5. 一軸で30秒間300MPaの圧力でYSZ粉末のパックの間に挟まれたNiメッシ​​ュを押してください。
6. 金型から押されたNi / YSZペレットを抽出します。
7. 流れるような還元性ガス雰囲気と水平管状炉（4％H ₂ / BAL。Ar）を使用して、ジルコニアるつぼで5時間1440℃でペレットを発射する。

2。ニッケルメッシュ電極の露出、研磨、および変更

1. メカニックNiメッシ​​ュ面が明らかにされるまでは車で6μmのダイヤモンド砥粒を用いて焼結したYSZサンプルの一面を挽く同盟。
2. さらに、各研磨工程で約1分間水/エチレングリコール懸濁液中には3μm、1μmであり、0.1μmのダイヤモンドメディアを使用して公開Niメッシ​​ュの表面を研磨する。
3. ....

Results

硫黄被毒の分析

図4に示すように、典型的なIVおよびH ₂および20 ppmのH ₂ Sの条件の下でNiメッシュ電極を用いたセルのIP曲線です。明らかに、H ₂ Sのだけでも、数ppmの導入は、Ni-YSZアノードを毒するとかなりのパフォーマンス低下を引き起こす可能性があります。

より集中的にNi-YSZアノードの被毒挙動を理解するためには、電池の交流インピーダンス分光法は、開回路電圧（OCV）の条件で行った。アノードは767で、0〜20 ppmのH ₂ Sを含有する燃料に暴露された前と後のセルのナイキストプロットで図5に示すように、℃のセルインピーダンスは作用電極のそれに支配されているので、二つの電極のインピーダンスは、この研究で使用されていました。基準電極は、したがって、必要ありませんでした。バルク抵抗が同じWH残っていることをインピーダンススペクトルショーアノードはH

Discussion

硫黄被毒の分析

図5に示すインピーダンススペクトルは、硫黄中毒ではなく、材料のバルクに影響を与えるものより表面や界面現象であることを示唆している。具体的には、Niメッシュ電極（ 図6）の迅速な中毒は、燃料ガスとその後の硫黄吸着Ni電極の直接暴露から生じるかもしれない、ガス拡散は、できるだけ多くの場合のように、このプロセスの速度を制限しません厚い多孔質のNi / YSZアノード。ニッケル、YSZ、燃料の間に三相界面（TPB）またはその近くで強く吸着された硫黄は、おそらくクイック性能損失で、その結果、TPBのH ₂の電気化学的酸化のための活性部位をブロックします。一方、回復プロセス中に、セルを通過する電流は特にTPBまたはその近くに、SO ₂にアノード表面に吸着した硫黄の電気化学的酸化を助けることができる。上のCEの硫黄SO ₂に酸化されて、それはすぐに気相へのNi / YSZ界面の再暴露（TPBSの再生）と性能²⁶の事実上完全な回復につ.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
試薬/材料の名称	会社	カタログ番号	注釈
ニッケルメッシュ	Alfa Aesar社	CAS：7440-02-0
Ni箔	Alfa Aesar社	CAS：7440-02-0
YSZ粉末	東ソー	ロット番号：S800888B
Agペースト	ヘレウス	C8710
酸化バリウム	シグマアルドリッチ	1304-28-5
銀線	Alfa Aesar社	7440-22-4
アセトン	VWR	67-64-1
エタノール	Alfa Aesar社	64-17-5
UHP H 2	Airgasの		純度99.999％
100ppmのH 2 S / H 2	Airgasの		認定されたカスタムミックス
n型Si AFMチップ	MikroMasch	NSC16	10nmの先端半径
AuをコーティングされたAFMチップ	MikroMasch	CSC11/Au/Cr	20から30 nmの先端半径
ラマン分光計	レニショー	RM1000
Arイオンレーザ	ModuLaser	StellarPro 150
He-Neレーザ	Thorlabs	HPL170
原子間力顕微鏡	Veeco社	ナノスコープIIIA
ラマンステージを移動	事前の科学	H101RNSW
光学顕微鏡	ライカ	DMLM
走査型電子顕微鏡	LEO	1550
チューブ炉	適用されたテストシステム	2110
ポリッシャー	連合軍のハイテク製品	MetPrep
6μmの粉砕媒体	連合軍のハイテク製品	50-50040M
3μmの研磨メディア	連合軍のハイテク製品	90-30020
1μmの研磨メディア	連合軍のハイテク製品	90-30015
0.1μmの研磨メディア	連合軍のハイテク製品	90-32000
ラマン室	Harrick科学	HTRC