EBSD作用在固体氧化物燃料电池

燃料电池是一个讨论的主要部分在谈到全球能源需求。燃料电池的高效能源,有长期稳定和低排放。

图1所示。固体氧化物燃料电池的示意图

燃料电池,氢可以轻和紧凑,生成非常低的排放,并没有主要的移动部件。因此,他们主要是对应用在偏远地区的吸引力。燃料电池是一种电化学转换装置由阴极和阳极电解液隔开。通过引入发电燃料在阳极和阴极氧化剂存在时。氧化剂和燃料在电解液反应。

虽然有大量的燃料电池类型,本文将集中精力固体氧化物燃料电池,简称固体氧化物燃料电池电解质是固体氧化物。长期稳定、效率高、低排放、燃料灵活性,固体氧化物燃料电池的优点和相对较低的成本。然而,高操作温度是一个主要的缺点[1]。固体氧化物燃料电池的基本成分是相当简单的;然而,功能需求不同的组件中使用的材料是非常具有挑战性的[2]。亚博网站下载

电解液

下面提到的属性必须考虑当选择电解质材料:

• 至少电子导电率
• 高离子电导率
• 化学反应与阴极和阳极材料亚博网站下载
• 稳定的氧化以及减少大气
• 工作温度
• 不渗透性,防止混合的燃料和氧化剂气体提要

氧化钇(Y₂O₃)稳定的氧化锆(ZrO₂)或YSZ是使用最广泛的固体氧化物燃料电池电解质材料。它通常需要一个操作温度超过850°C。高工作温度设置严格的要求在建立燃料电池使用的材料。亚博网站下载操作温度主要是由电解液的性质,也就是说,电解质层的厚度,其离子电导率。因此,可以降低工作温度两种可能的方法。第一是降低电解质层的厚度,二是寻找其他电解质材料有较高的氧离子导率[2]。亚博网站下载

层厚度可以减少使用薄膜沉积技术,这是一个正在进行的研究领域,专门为移动电子应用程序。许多不同的材料正在研究中,例如,氧化钆掺杂二亚博网站下载氧化铈,二氧化铈和氧化锆掺杂其他氧化物。锶钛酸镧gallate-based结构[2],[3],和Perovskite-type氧化物[4]也考虑在内。

这些材料有不亚博网站下载同的优点和缺点对离子电导率和耐用性的氧化和减少大气系统中,因此关注的中心正在进行的调查。另一个领域的研究是通过控制材料微观结构的优化处理以提高性能,例如,离子电导率。

阳极

阳极是一种多孔层的电解质氧化氢燃料的氧离子扩散通过电解质,产生水和电。阳极材料必须满足以下的要求:

• 多孔
• 导电
• 氧化氢燃料的推广
• 电解质热膨胀的相似性
• 稳定在还原性气氛
• 离子导电
• 化学反应与电解液

金属的阳极可以由自燃料接近阳极是一种还原剂。然而,材料不应该氧化时的操作,从而限制候选人金属钴、镍,高贵的金属。镍是最常用的金属由于其相对较低的成本比其他。为了促进燃料电解液的流动,增加阳极必须保持多孔的操作温度。另一个条件是充分降低热膨胀不匹配的电解液和阳极之间保持界面的粘附。这两个条件是通过扩散实现固态电解质材料内的镍金属陶瓷[2]。

阳极材料的偏好可能不同主要是因为电解质材料多样。考虑的其他材亚博网站下载料包括镍/二氧化铈金属陶瓷为ceria-gadolinia-based固体氧化物燃料电池,使用各种各样的掺杂物,和导电氧化物如LaCrO₃[2]和SrTiO₂[5]。

关于电解质材料,调查也在微观结构进行优化。电导率取决于微观结构,特别是固态电解质的大小和粒度分布和镍粒子和金属陶瓷的镍颗粒的连接。yabo214

阴极

阴极多孔层的电解液,减少发生产生氧离子,反过来,通过电解液扩散。阴极有一组特定的要求:

• 电子导电
• 促进氧气减少
• 多孔
• 稳定的氧化气氛
• 与电解质热膨胀相似
• 离子导电
• 惰性电解质

这些标准维持在高操作温度限制了阴极材料选择电子导电氧化物或贵金属。由于贵金属的高成本,电子导电氧化物独家使用。锶掺杂镧亚锰酸盐(LSM)是应用最广泛的金属和热膨胀系数,与YSZ相当。

就像阳极,阴极材料的选择可能有所不同,主要是由于电解质材料的变化。镧锶钴铁氧体LaCoO [1]₃[2]是正在考虑的其他材料。亚博网站下载此外,提高性能的不同的方法,例如,电导率通过微观结构优化研究。

互连

互连提供阳极和阴极之间的电接触。通常,每个单元之间的互连存在整合所有细胞的电输出栈。因此它必须有很高的导电性在氧化气氛阴极和阳极的还原性气氛和在大气稳定操作温度增加。因此,互连必须满足以下条件。

• 高导电
• 惰性阴极、阳极、电解质
• 相似的热膨胀阴极,阳极和电解质
• 不透水
• 稳定氧化,以及减少大气

这样的需求严重限制材料的选择,特别是在高操作温度的YSZ-based固体氧化物燃料电池。亚博网站下载大多数zirconia-based固体氧化物燃料电池使用镧铬(LaCrO₃)。因为低温固体氧化物燃料电池正在开发,SrTiO等其他材料亚博网站下载₂[5]和Crofer 22 APU[6]是考虑。Crofer 22日高温不锈钢,具有良好的氧化层的导热系数,高导电率,较低的热膨胀系数,并在高温热稳定性。

描述

EDAX的扫描电子显微镜(SEM)的工具非常适合固体氧化物燃料电池的研究和开发。能量色散谱(EDS)有能力来确定化学成分在亚微米的范围里。电子背散射衍射(EBSD)提供晶体信息在几十个纳米的范围。

EDS研究的实例包括化学成分和成分的空间分布基本燃料电池材料。亚博网站下载EDS在扫描电镜的微观潜力可以查看成分梯度在反应区在不同燃料电池组件之间的接口。例如,图2说明了空间分布的峰值铬Crofer互连及其氧化物之间的接口。

图2。示意图的EDS铬线扫描检测后固体氧化物燃料电池显示最小铬迁移从不锈钢连接成锰_1.5有限公司_1.5O₄障涂层。[7]

EDS也适合量化特定的化学成分特征的微观结构。然而,某些阶段产生的多晶型物,但同样的化学成分具有不同的晶体结构。在这种情况下,结合EDS和EBSD的帮助下EDAX独特的ChI-Scan™软件允许将这些阶段明确确定。图3说明了这样一个例子。在这个图中,EBSD被用来区分YSZ的立方和单斜的阶段。整合EBSD结果与EDS收集的数据表明,立方氧化锆同时富含钇与单斜氧化锆。

图3。EBSD阶段映射和EDS元素映射为钇同时获得,展示阶段和钇含量之间的相关性。[8]

EBSD数据可以快速收集和自动的帮助下最近的取向成像显微镜(OIM™)系统,晶体取向的空间分布可以映射在组织内。YSZ的一个例子是显示在图4。地图颜色按照伴随规模。红色的谷物的[001]轴垂直剖面,绿色的是[101]类型,和蓝色的[111]类型。在这里,没有预期的方向。使用这些信息,科学家可以将属性与取向方面的微观结构。

图4。EBSD取向YSZ的地图

氧化速率和方向之间的关系就是一个例子。通过集成微型电化学实验与EBSD Davenpor和康尼锡[9]表明,氧化是一个函数的方向。随后使用EBSD扫描测量区域,光刻胶微电极应用于特定的谷物在多晶钛样品。电化学和EBSD结果在图5中列出的一个潜在的10 V。

图5。与特定的谷物标记(a)定位地图。(b)图表显示电流密度的函数的变化方向从标签上的微型电化学测量谷物(a)。[9]

显然是有巨大差别的结果与基底平面平行于表面和那些正常的表面。作者可能会进一步把EBSD模式的质量和氧化层的厚度。随着氧化率各向异性,燃料电池材料的属性可以通过过程控制提高微观结构调整。亚博网站下载所需的目标是形成一个定向为了增加谷物的分数与抗氧化的飞机表面平行或垂直的基于特定应用程序。

离子试图追求最低能量路径穿过晶体结构。因此,离子电导率通常是一种各向异性材料属性。此外,由于这些债券是不同的陶瓷、晶界不一样密集的金属。因此,离子通常是更迅速的扩散和晶界比谷物[10]。

一些作者研究了晶界对离子电导率的影响[3,5]。然而,这是一个领域,需要进一步的研究。例如,施等。[3]检验Σ3人口类型的角色界限SrTiO的离子电导率₃使用EBSD。Σ3边界是独一无二的,他们有一个高分数的巧合在两个晶体晶格之间的边界。图6演示了YSZ的特殊边界样本的分布如图4所示(一个)作为衡量OIM™。在这里,一部分特殊的边界并不大;大部分的高角度晶界是随机边界。必须指出OIM™也可以量化的择优取向或晶体结构。在这种情况下,晶体结构基本上是随机如图6所示(b)。

图6。(一)分布的特殊晶界和(b)的反极图纹理图YSZ EBSD数据如图4所示。

通过获得深入了解电流或带电离子通过微观结构,材料工程师可以自定义组织意识到一个特定的应用程序的最佳性能。亚博网站下载例如,可以考虑下面所提到的三个条件。

1. 形状各向异性属性——这意味着属性是谷物伸长方向比横向-光学显微结构是如图7所示(一个)。这个组织也适合材料属性更强比通过颗粒沿晶界。例如,如果扩散离子物种比通过更快速沿着晶界谷物,那么这个组织将加强在竖直方向扩散。实际上,一个更优化的微观结构,在这种情况下,将由非常薄棒拉伸整个厚度的层。
2. 材料属性,最强烈的各向异性晶体——这意味着它是在一个晶体方向相比其他——将这个晶体方向和方向会更好,如图7所示(b)。
3. 如果特定类型的边界比其他人更合适的材料属性,调整好边界类型首选性能改进的方向将是有利如图7所示(c)。

图7。理想化的微观结构所需的材料属性,(a)属性更强的谷物伸长方向或沿晶界而不是通过晶粒内部,(b)的属性是在一个特定的晶体方向或(c)的属性更强某些晶界类型(白色)和较弱的为他人(黑色)。

实际上,这是不可能实现所有的微观结构,和属性也可能不同结晶学在谷物和晶界类型,这样一些混合结构将提供最佳的总体性能。此外,在几乎所有情况下,目标是提高一个属性在其他属性不会造成不利影响。因此,必须考虑平衡的方法。EBSD描述晶粒取向的潜力,以及晶界错位的微观结构表征使其成为一个完美的工具,以确保组织工程的目标正在实现。的自动EBSD系统允许这些方面的微观结构的表征与统计的可靠性。

结论

EBSD是一种工具适合表征固体氧化物燃料电池的研究和发展的需求,尤其是在描述多晶微观结构的取向以及晶界。此外,与EDS EBSD的结合增加了这两种方法的潜力来满足广泛的材料在微观尺度特性要求。亚博网站下载

参考

[1]维基百科-固体氧化物燃料电池

[2]r·m·奥梅罗德(2003)“固体氧化物燃料电池。”化学学会R32岁的触摸屏17-28。

[3]S.-J。主教、施& d·j·h·安乐乡(2009)。“分配3在多晶钛酸锶错位。”欧洲陶瓷学会杂志》29日:3023 - 3029。

[4]n均湿& y Du()过渡温度固体氧化物燃料电池电解质燃料电池技术:国家和视角的北约高级研究燃料电池技术研讨会:州和视角基辅,乌克兰2004年6月6 - 10,eds。n .均湿a Smirnova & o . Vasylyev施普林格:荷兰、19-34。

[5]f . Horikiri l .问:汉族,a . Kaimai t·欧泰克,t . Kawada & j . k .八城政基Mizusaki (2006)。“晶界的影响施主掺杂SrTiO的电导率₃”固态离子177:2555 - 2559。

[6]thyssenkruppvdm.de / _pdf / Crofer22APU_e.pdf

安德森,[7]……Simner G-G夏,z杨& J.W.史蒂文森(2005)。“长期SOFC稳定与涂布铁素体不锈钢互连”陶瓷工程和科学程序亚博老虎机网登录26日:83 - 90

[8]p . m . Delaforce j . a .约曼斯n . c . Filkin g·j·赖特,& r·c·汤姆森(2007)。”效应的NiO Yttria-Stabilized氧化锆的相稳定性和显微组织”美国陶瓷协会杂志》上90:918 - 924。

[9]b . Davepon j·w·舒尔茨,康尼锡& c Rosenkranz (2003)。“单粒多晶钛晶体取向及其影响电化学过程。”表面涂层技术169 - 170:85 - 90

[10]c·b·卡特·m·g·诺顿(2007)陶瓷材料,施普林格:纽约,197 - 198页亚博网站下载

这些信息已经采购,审核并改编自EDAX Inc .提供的材料亚博网站下载

在这个来源的更多信息,请访问EDAX Inc .)