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

以下の実験では、炭化水素および硫黄で汚染された燃料で作動するセルの固体酸化物、燃料電池、またはSOFC電極の反応と分解メカニズムの理解を促進することを目的としています。したがって、SOFC材料の合理的な設計に関する洞察を提供します。これは、イレア、安定化ジルコニアまたはYSCに埋め込まれたニッケルメッシュ電極からなる作用電極を備えたセルを作製し、炭化水素および硫化水素含有燃料中でセルの電気化学的性能と安定性をテストすることによって達成されます。

第2のステップとして、ラマン分光法をin situ UとXEの2つの条件下でメッシュ電極に対して実行し、電極の劣化に関与する化学種と相、劣化がどこで発生し、どのように防止できるかについての情報を提供します。次に、走査型プローブ顕微鏡技術を使用して電極の特性評価を行い、電極の劣化と表面形態をナノメートルスケールで視覚化します。これらの手法が電子SPECTプロスピなどの他の表面分析方法と比較した場合の主な利点は、操作に高真空を必要としないことです。

これらの手法は、固体酸化物形燃料電池の分野で、電極の性能や劣化を決定するメカニズムの性質など、有用な情報を収集するのに役立ちます。これらの技術の意味は、顕微鏡の骨鏡検査とエネルギー変換プロセスにまで及びます。したがって、それらは成熟した科学者、電気化学者、特別なコピー、およびその他の興味を引くものになるでしょう。

これらのトピックは、しかし、これらの技術は、塩酸化物燃料電池の電極表面プロセスをプローブおよびマッピングするために開発されました。また、バッテリーやスーパーなどの電気化学システムにも適用できます。アノードセルの製造を開始するには、一軸ドライプレスと円筒形のステンレス鋼金型を使用して、YSZ粉末の10分の2グラムの2つのバッチを計量します。

直径13ミリメートルのYSZ粉末の1バッチを50メガパスカルの圧力で30秒間圧縮します。次に、50マイクロメートルのワイヤーから50ニッケルメッシュを織り込んだ1センチ未満のサイズを切り取り、金型内のワイヤーZディスクの表面に置きます。次に、型の内側のニッケルメッシュの上に残りの10分の2グラムのYSC粉末を追加し、ラムを使用して粉末の表面を平らにします。

YSCパウダーのパックの間にニッケルメッシュサンドイッチを単軸に押し込むと、300メガパスの圧力が30秒間スケールします。次に、プレスされたニッケルYSCペレットを金型から抽出します。ペレットをジルコニアるつぼに入れ、るつぼを4%分子水素と96%アルゴンの流れる還元ガス雰囲気のある水平管状炉に入れます。

ペレットを1, 440 SIUで、電極を製造および冷却した後5時間燃焼させます。ニッケルメッシュ表面が現れるまで、6マイクロメートルのダイヤモンドグリットを使用して、中心にあったワイヤーCの片面をサンプルから機械的に研磨します。露出したニッケルメッシュ表面を、エチレングリコール懸濁液中の水エチレングリコール懸濁液中で3マイクロメートル、1マイクロメートル、0.1マイクロメートルのダイヤモンド媒体を用いて、各研磨段階で約1分間研磨し続け、耐コーティング性を高めたメッシュを作製します。

洗浄して乾燥させた後、サンプルを配置し、アミド粉末が接触しないようにるつぼに埋めます。次に、サンプルを摂氏1、200度で還元雰囲気中で2時間燃焼させます。ニッケルメッシュの反対側のワイヤーC表面に銀ペーストをブラシで塗装して対電極として機能することにより、電気化学試験用のサンプルを準備します。

乾燥後、対極に銀ペーストで対極に巻いた銀線を取り付け、先端に銀ペーストでニッケルメッシュに直径0.2mmの銀線を接続します。サンプルを乾燥させた後、再び、セラボンドとも呼ばれるremcoシール5 5 2を使用して、ニッケルメッシュを8分の3インチのセラミックセルフィクスチャチューブの上に下にしてセルをシールします。シーラントが乾いたら、絶縁された銀線を電極リード線に接続します。

次に、セル固定具を管状炉に取り付けます。フィクスチャをガスラインに接続し、ワイヤを電気化学試験装置に取り付けます。次に、超高純度分子水素ガスを室温の水に通して泡立て、水の3%に加湿します。

この加湿されたガスをセルフィクスチャに毎分50標準立方センチメートルの速度で送ります。セルを適切に加熱し、銀の対電極を中央に配置した後、セルを摂氏767度に呼び出して電気化学的性能試験を行います。試験が完了し、サンプルの特性評価のために準備されたら、メッシュアノードが上を向くように、テープまたは接着剤を使用してラーメン顕微鏡ステージプレートにセルを貼り付けます。

レーザーをニッケル基板とYSC基板の界面に焦点を合わせた状態で、ラムと分光器をセットして、長方形のグリッドの交点からスペクトルを取得します。2マイクロメートルで区切られた交点を持つ界面の領域を覆うように、スペクトルは対象のラマンモードに対応する波数を中心に配置する必要があります。この場合、硫黄酸化物には980逆センチメートルが選択されます。

次のステップは、各スペクトルのラマン関心モードの強度を統合し、同じスペクトルのフラットベースラインで除算することで、相対強度をその座標に対する等高線とカラーマップにプロットできます。陽極のコーイングを監視するには、銀ペーストを使用して、ワイヤーCに埋め込まれたニッケルメッシュを上向きのハリックサイエンティフィックラーメン高温反応チャンバーステージの縁にシールします。次に、ラーメンステージチャンバーにキャップをします。

次に、ニッケル線Cの境界を視野に入れてサンプルチャンバーをラマ顕微鏡に取り付け、加湿された4%分子状水素ガスと96%アルゴンガスをチャンバー内を毎分約100標準立方センチメートルで流し始めます。次に、ラーメンチャンバーを摂氏625度に加熱します。レーザーに焦点を合わせ、ニッケルメッシュとYSC基板上のスポットから150〜2000の逆センチメートルの範囲でベースラインラーメンスキャンを収集します。

次に、ガスの流れに3〜5%のプロパンを導入し、ガスが流れている間にニッケルからラムとスペクトルを一定の間隔で収集して、表面上の炭素の沈着を経時的に観察します。純粋なニッケルホイルは、原子間力顕微鏡またはFMおよび静電力顕微鏡またはEFMによる炭素沈着の視覚化に使用され、ニッケルホイルポリッシュからクーポンの片面を0.1マイクロメートルのグレードまで切り出した正方形の10ミリリットル×1ミリリットルのクーポンを使用します。550°Cの石英管ライニング炉で以前に使用した手順に従って、研磨されたニッケルクーポンをアルゴンヌによってバランスされた10%のプロパンを含む加湿流ガスに1分間さらしました。

次に、サンプルを炉と石英管のライニングから取り出します。光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡で表面の形態を検査し、原子間力顕微鏡と静電力顕微鏡を使用してサンプルを調製します。銅の導電性テープを使用して、サンプルを金属パックに取り付けます。

これに続いて、エンドタイプのシリコンベース、FMチップ、または導電性のFMチップをチップホルダーに取り付けます。次に、サンプルをAFMMに持っていきます。次に、リフトモードで情報を収集するためのタッピングモードのFMを使用して形態画像を収集します。100ナノメートルのリフト高さから始めて、徐々に表面粗さの値に近づけて、静電相互作用がEFMイメージングに十分な強度になるようにします。

リフトモードで適切な高さでサンプルをスキャンします。トポグラフィーと位相角の両方に関する情報を収集します。明確な位相または形態学的界面を特定し、サンプルバイアスを変えながら、この界面全体で一連のEFMラインスキャンを収集します。

次に、異なるサンプルバイアス電位でのEFMラインスキャンを比較することにより、2つの位相間のコントラストが反転する電圧を特定します。次に、スイッチ電圧より1ボルトから2ボルト低いサンプルバイアスを使用してフルイメージを収集し、スイッチ電圧より1ボルトから2ボルト高いサンプルバイアスで別のイメージを収集します。炭素で覆われた領域は、サンプルが負にバイアスされているときは明るく見え、サンプル表面をスキャンして正にバイアスされているときは暗く見えます。

このモードでは、炭素堆積の分布と表面形態を得ることができます。ニッケルメッシュ電極は、分子状水素と硫化水素の両方の条件下での性能についてテストされました。ここに示すように、摂氏767度での電流電圧と電流電力曲線の一般的な結果では、わずか数ppmの硫化水素を導入するだけで、性能が大幅に低下する可能性があります。

これは、アノードが摂氏767度で0および20ppmの硫化水素を含む燃料にさらされる前後のセルのナイキストプロットです。セルのACインピーダンス分光法は、開回路電圧条件下で行われました。左の曲線は典型的な中毒行動で、右側は摂氏767度での細胞の典型的な回復行動です。

硫化水素が20ppm未満で、マイナスの10分の3ボルトのDCバイアス。中毒も回復も数分以内に終了し、定常状態に達するように見えますが、これは太いニッケル線に必要な長い回復時間とは異なります。Odesは以前、光学顕微鏡写真を研究していました。

ニッケル線Cインターフェースを左に示します。右手に同じエリアのラーメンマップがあります。ラーメンマップは、硫黄のさまざまな酸化物に関連するモードの強度を示しています。

この種はニッケル表面でのみ観察され、三相境界から離れて集中していました。この写真は、YSZに埋め込まれたニッケルメッシュの光学顕微鏡写真です。この写真は、摂氏625度のプロパン含有ガスに15時間さらした後の同じメッシュです。

右の図は、プロパンに15時間曝露した後、左の光学顕微鏡写真にマークされたスポットからその場で収集されたラマンスペクトルです。右図はカーボンラーメンの信号の変化のプラスです。左の光学顕微鏡写真の緑色のスポットで特定された位置から経時的に収集された強度。

これらの2つのパネルは、バリア酸化物で修飾されたニッケルYSCメッシュの比較を可能にし、未修飾メッシュと同じ条件下で耐コーティング性を高めることができます。どちらも摂氏625度のプロパン含有ガスに15時間さらされています。この走査型電子顕微鏡の画像は、ニッケルがプロパン含有量のガスにさらされた後、ニッケルの表面に形成された均質な暗い斑点を示しています。

左側は、コイングのレベルが異なる領域の原子間力顕微鏡画像です。これらの同じ領域は、この手順を試みている間、右側の静電力顕微鏡を使用しても画像化されます。一部のミー表面を、研磨された媒体などの他の汚染物質からできるだけクリアに保つことを覚えておくことが重要です。

高温炉や可燃性ガスでの作業は非常に危険である可能性があるため、保護具の着用や適切なアラームの使用など、適切な予防措置を講じる必要があることを忘れないでください。このビデオが、セル酸化物形燃料電池の電極表面プロセスに関する情報を得る方法を示し、電極材料をより適切に設計するのに役立つことを願っています。