고체 산화물 연료 전지의 전극 표면을 탐색 및 매핑

다음 실험의 목적은 탄화수소 및 황 오염 연료에서 작동하는 전지의 고체 산화물, 연료 전지 또는 SOFC 전극 반응 및 분해 메커니즘에 대한 이해를 촉진하는 것입니다. 따라서 SOFC 재료의 합리적인 설계에 대한 통찰력을 제공합니다. 이는 홍채, 안정화 지르코니아 또는 YSC에 내장된 니켈 메쉬 전극으로 구성된 작동 전극으로 셀을 제작하고 탄화수소 및 황화수소 함유 연료에서 전지의 전기화학적 성능 및 안정성을 테스트함으로써 달성됩니다.

두 번째 단계로, 라만 분광법은 in situ U 및 XE 두 가지 조건 모두에서 메시 전극에 대해 수행되며, 이는 전극 열화와 관련된 화학적 종 및 단계, 열화가 발생하는 위치 및 방지 방법에 대한 정보를 제공합니다. 다음으로, 스캐닝 프로브 현미경 기술을 사용하여 전극 열화 및 표면 형태를 나노미터 규모로 시각화하기 위해 전극을 특성화합니다. 전자 SPECT 프로스피와 같은 다른 표면 분석 방법에 비해 이러한 기술의 주요 장점은 작동을 위해 높은 진공이 필요하지 않다는 것입니다.

이러한 방법은 전극 성능 및 열화를 결정하는 메커니즘의 특성과 같은 고체 산화물 연료 전지 분야에서 유용한 정보를 수집하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 기술의 의미는 현미경 투시경 및 에너지 변환 프로세스로 확장됩니다. 따라서 그들은 성숙한 과학자, 전기 화학자, 특별 사본 및 기타 관심의 대상이 될 것입니다.

그러나 이러한 주제는 염산화물 연료 전지에서 전극 표면 공정을 프로빙하고 매핑하기 위해 개발되었습니다. 또한 배터리 및 슈퍼와 같은 전기 화학 시스템에도 적용할 수 있습니다. 양극 세포 제조를 시작하려면 단일 축 건식 프레스와 원통형 스테인리스 스틸 금형을 사용하여 YSZ 분말 그램의 10분의 2 두 배치의 무게를 잰다.

직경에 있는 13 밀리미터는 30 초 동안 50 메가파스칼의 압력에 YSZ 분말의 1개 배치를 압축합니다. 그런 다음 50 마이크로 미터 와이어로 짜여진 1cm 미만의 크기, 50 니켈 메쉬를 자르고 금형 내부의 와이어 Z 디스크 표면에 놓습니다. 다음으로, 금형 내부의 니켈 메쉬 위에 YSC 분말의 나머지 10분의 2g을 추가하고 램을 사용하여 분말 표면을 평평하게 만듭니다.

YSC 분말 팩 사이의 니켈 메쉬 샌드위치를 축 방향으로 누르고 300 MegaPath의 압력이 30초 동안 조정됩니다. 이제 금형에서 압축된 니켈 YSC 펠릿을 추출합니다. 펠릿을 지르코니아 도가니에 넣고 도가니를 4% 분자 수소와 96% 아르곤의 유동 환원 가스 분위기가 있는 수평 관로에 넣습니다.

전극이 제작되고 냉각된 후 5시간 동안 1, 440도 SIU에서 펠릿을 발사합니다. 니켈 메쉬 표면이 드러날 때까지 6 마이크로 미터 다이아몬드 그릿을 사용하여 샘플에서 중심 와이어 C의 한면을, 기계적으로 연마합니다. 각 연마 단계에서 약 1분 동안 물 에틸렌 글리콜 현탁액에서 3마이크로미터, 1마이크로미터 및 0.1마이크로미터 다이아몬드 매체를 사용하여 노출된 니켈 메쉬 표면을 계속 연마하여 코팅 저항이 증가된 메쉬를 생성합니다.

세척 및 건조 후 샘플을 정렬하고 아미드 가루를 도가니에 묻어 닿지 않도록 합니다. 그런 다음 환원 분위기에서 2 시간 동안 섭씨 1, 200도에서 샘플을 발사하십시오. 니켈 메쉬 반대편 와이어 C 표면에 은 페이스트를 브러시 페인팅하여 상대 전극 역할을 하여 전기화학 테스트를 위한 샘플을 준비합니다.

건조 후 은 페이스트를 사용하여 코일 은선을 카운터 전극에 부착하고 팁에 은 페이스트를 사용하여 니켈 메쉬에 직경 0.2mm의 은선을 연결합니다. 샘플을 건조시킨 후 다시 세라 본드라고도 하는 remco seal 5 5 2를 사용하여 3/8인치 세라믹 셀 고정 튜브 위에 니켈 메쉬로 셀을 밀봉합니다. 실런트가 건조된 후 절연된 은선을 전극 리드선에 연결합니다.

다음으로, 관 모양의 용광로에 셀 고정 장치를 장착합니다. 고정 장치를 가스 라인에 연결하고 전선을 전기 화학 테스트 장비에 연결합니다. 다음으로 초고순도 분자 수소 가스를 실온의 물을 통해 3% 부피의 물로 가습합니다.

이 가습 가스를 분당 50 표준 입방 센티미터의 속도로 셀 고정 장치를 통해 보냅니다. 셀을 적절하게 가열하고 은 카운터 전극을 중앙에 배치한 후 전기화학적 성능 테스트를 위해 셀을 섭씨 767도로 호출합니다. 테스트가 완료되고 샘플의 특성 분석이 준비되면 메쉬 양극이 위쪽을 향하도록 하여 테이프 또는 접착제를 사용하여 셀을 라면 현미경 스테이지 플레이트에 부착합니다.

레이저가 니켈과 YSC 기판의 인터페이스에 초점을 맞춘 상태에서 램과 분광계를 설정하여 직사각형 그리드의 교차점에서 스펙트럼을 얻습니다. 2마이크로미터로 분리된 교차점이 있는 계면 영역 위에 있는 스펙트럼은 관심 있는 라만 모드에 해당하는 파수를 중심으로 해야 합니다. 이 경우 황 산화물에 대해 980 역 센티미터가 선택됩니다.

다음 단계는 각 스펙트럼에 대한 관심 라만 모드에 대한 강도를 통합하고 동일한 스펙트럼을 가진 평평한 기준선으로 나누는 것이며, 상대 강도는 좌표에 대해 윤곽 및 색상 맵에 표시할 수 있습니다. 양극의 코팅을 모니터링하려면 은 페이스트를 사용하여 와이어 C 내장 니켈 메쉬를 위쪽을 향한 harrick scientific 라면 고온 반응 챔버 스테이지의 가장자리에 밀봉합니다. 그런 다음 라면 무대 챔버를 닫습니다.

다음으로, 니켈 와이어 C 경계가 보이는 라마 현미경에 샘플 챔버를 장착하고 분당 약 100 표준 입방 센티미터로 챔버를 통해 가습된 4% 분자 수소 및 96% 아르곤 가스를 흐르기 시작합니다. 이제 라멘 챔버를 섭씨 625도로 가열합니다. 레이저에 초점을 맞추고 150에서 2000 센티미터 범위의 니켈 메쉬 및 YSC 기판의 지점에서 기준선 라면 스캔을 수집합니다.

다음으로, 가스 흐름에 3-5%의 프로판을 도입하고 가스가 흐르는 동안 일정한 간격으로 니켈에서 램과 스펙트럼을 수집하여 시간이 지남에 따라 표면에 탄소가 침착되는 것을 관찰합니다. 순수 니켈 호일은 원자력 현미경 또는 FM 및 정전기력 현미경 또는 EFM에 의한 탄소 증착의 시각화에 사용되며, 니켈 호일에서 자른 1 밀리리터 x 1 밀리리터 쿠폰을 사용하여 쿠폰의 한면을 0.1 마이크로 미터 등급으로 연마합니다. 섭씨 550도의 석영 튜브 라이닝 용광로에서 이전에 사용된 단계에 따라 연마된 니켈 쿠폰을 아르곤으로 균형을 이루는 10% 프로판이 포함된 가습 유동 가스에 1분 동안 노출시켰습니다.

그런 다음 용광로와 석영 튜브 라이닝에서 샘플을 제거합니다. 광학 현미경 및 주사 전자 현미경으로 표면 형태를 검사하여 원자력 현미경 및 정전기력 현미경을 사용하여 연구를 위해 샘플을 준비합니다. 구리 전도성 테이프를 사용하여 금속 퍽에 샘플을 장착합니다.

그런 다음 팁 홀더에 엔드 타입 실리콘베이스, FM 팁 또는 전도성 FM 팁을 설치하십시오. 이제 샘플을 A FM으로 가져갑니다. 그런 다음 리프트 모드에서 정보를 수집하기 위해 탭 모드에서 FM을 사용하여 형태학 이미지를 수집합니다. 100나노미터의 리프트 높이에서 시작하여 정전기 상호 작용이 EFM 이미징에 충분히 강할 수 있도록 표면 거칠기 값까지 점차 줄입니다.

리프트 모드에서 적절한 높이에서 샘플을 스캔합니다. 지형과 위상각 모두에 대한 정보를 수집합니다. 명확한 위상 또는 형태학적 인터페이스를 식별하고 이 인터페이스에서 일련의 EFM 라인 스캔을 수집하면서 샘플 바이어스를 변경합니다.

그런 다음 서로 다른 샘플 바이어스 전위에서 EFM 라인 스캔을 비교하여 두 위상 간의 대비가 뒤집히는 전압을 식별합니다. 그런 다음 스위치 전압보다 1-2V 낮은 샘플 바이어스를 사용하여 전체 이미지를 수집하고 스위치 전압보다 1-2V 높은 샘플 바이어스로 다른 이미지를 수집합니다. 탄소로 덮인 영역은 샘플이 음으로 바이어스될 때 밝게 나타나고 샘플 표면을 스캔하여 포지티브하게 바이어스될 때 어둡게 나타납니다.

이 모드에서는 탄소 증착의 분포 및 표면 형태를 얻을 수 있습니다. 니켈 메쉬 전극은 분자 수소 및 황화수소 조건 모두에서 성능을 테스트했습니다. 섭씨 767도에서 전류 전압 및 전류 전력 곡선에 대한 일반적인 결과 여기에서 볼 수 있듯이 황화수소가 몇 ppm만 유입되어도 상당한 성능 저하가 발생할 수 있습니다.

다음은 양극이 섭씨 767도에서 황화수소가 0과 20ppm을 포함하는 연료에 노출되기 전과 후의 전지에 대한 나이퀴스트 플롯입니다. 셀의 AC 임피던스 분광법은 개방 회로 전압 조건에서 수행되었습니다. 왼쪽 곡선은 일반적인 중독 행동이고 오른쪽은 섭씨 767도에서 세포의 일반적인 회복 행동입니다.

20ppm 미만의 황화수소 및 음의 3/10 볼트의 DC 바이어스. 중독과 회복 모두 몇 분 이내에 완료되고 안정된 상태에 도달하는 것으로 보이며, 이는 두꺼운 니켈 와이어에 필요한 긴 회복 시간과 다릅니다. Odes는 이전에 광학 현미경 사진을 연구했습니다.

니켈선 C 인터페이스는 왼쪽에 나와 있습니다. 같은 지역의 라멘 지도가 오른쪽에 있습니다. 라면 지도는 다양한 황 산화물과 관련된 모드의 강도를 보여줍니다.

이 종은 니켈 표면에서만 독점적으로 관찰되었으며 삼상 경계에서 멀리 집중되었습니다. 이 사진은 YSZ에 내장된 니켈 메쉬의 광학 현미경 사진입니다. 이 사진은 섭씨 625도에서 15시간 동안 가스가 포함된 프로판에 노출된 후의 동일한 메쉬입니다.

오른쪽 그림은 프로판에 15시간 노출된 후 왼쪽의 광학 현미경 사진에 표시된 반점으로부터 현장에서 수집된 라만 스펙트럼입니다. 오른쪽은 탄소라면 신호의 변화를 더한 것입니다. 왼쪽의 광학 현미경 사진에서 녹색 점으로 식별된 위치에서 시간이 지남에 따라 수집된 강도.

이 두 패널을 사용하면 배리어 산화물로 변형된 니켈 YSC 메쉬를 비교하여 변형되지 않은 메쉬와 동일한 조건에서 증가된 코팅 저항을 제공할 수 있습니다. 둘 다 섭씨 625도의 가스가 함유된 프로판에 15시간 동안 노출되었습니다. 이 주사 전자 현미경 이미지는 니켈이 일부 프로판 함량이 있는 가스에 노출된 후 니켈 표면에 형성된 균일한 어두운 패치를 보여줍니다.

왼쪽에는 다양한 수준의 코팅을 가진 영역의 원자력 현미경 이미지가 있습니다. 이 동일한 영역은 이 절차를 시도하는 동안 오른쪽의 정전기력 현미경을 사용하여 이미지화됩니다. 일부 내 표면에는 광택 처리된 매체와 같은 다른 오염 물질이 없는 상태를 가능한 한 깨끗하게 유지하는 것이 중요합니다.

고온의 용광로 및 가연성 가스로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으므로 보호 장비를 착용하고 적절한 경보를 사용하는 등 적절한 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오. 이 비디오가 전극 재료를 더 잘 설계하는 데 도움이 되는 셀 산화물 연료 전지의 전극 표면 프로세스에 대한 정보를 얻는 방법을 설명했기를 바랍니다.