고체 산화물 연료 전지 양극의 이방성 미세 구조 진화

초록

제시된 연구는 고체 산화물 연료 전지의 장기간 작동이 양극 물질에 상당한 이방성 변화를 초래할 수 있음을 보여줍니다. 전자나노단층촬영을 이용한 노화시험 전후에 조사된 적층체의 미세구조 형태를 관찰하였다. 얻어진 양극 미세구조의 디지털 표현을 기반으로 미세구조 매개변수를 추정하였다. 이방성은 양극을 구성하는 3개 상 중 2개, 즉 니켈과 기공에서 발견되었습니다. 이트륨 안정화 지르코니아인 양극의 세 번째 구성 요소는 등방성을 유지합니다. 변화는 미시적으로 나타나며 전자와 기체의 수송 현상에 큰 영향을 미칩니다. 얻어진 결과는 노화 시험 전의 미세구조를 나타내는 기준 양극 물질이 3800시간의 일정한 작동 후에 강한 등방성을 향해 진화하는 등방성 특성을 가짐을 나타냅니다. 제시된 결과는 고체 산화물 연료 전지의 신뢰할 수 있는 수치 시뮬레이션에 중요합니다. 그들은 특히 미세 구조 데이터가 작동 후 양극에서 가져온 경우 모든 균일 모델이 수송 현상의 등방성을 정의하는 미세 구조 매개변수를 적절하게 설명해야 함을 나타냅니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

SOFC(고체 산화물 연료 전지)는 수소의 화학 에너지를 직접 전기로 변환하는 전기 화학 장치입니다. 단일 전지는 일반적으로 두 개의 다공성 촉매 전극인 양극과 음극 사이에 불침투성과 조밀한 이온 전도성 전해질이 샌드위치된 평판 형태를 가지고 있습니다. 연료는 애노드 측으로 공급되고 공기는 캐소드로 공급됩니다. 가스는 비생산적인 연소를 피하기 위해 혼합될 수 없습니다. 대신, 가스는 촉매 물질을 때리고 전자를 잃고 전해질의 양쪽에 축전기를 형성합니다. 음극 쪽에서는 반응이 더 느리기 때문에 두 전극 사이에 전위차가 나타납니다. 이 전위차는 산소 압력 구배와 함께 캐소드에서 애노드로 산소 이온을 이동시키는 구동력입니다. 이와 관련하여 전극 미세 구조의 형태는 매우 중요합니다. 일반적인 양극은 니켈상(Ni), 이트리아 안정화 지르코니아상(YSZ) 및 기공상으로 구성됩니다. 각 물질은 다른 종에 대한 경로를 제공함으로써 SOFC를 통한 수송 과정에서 필수적인 역할을 합니다. 애노드의 경우 YSZ 상은 산소 이온에 대한 경로를 제공하고 Ni 상은 전자에 대한 경로를 제공하며 기공 상은 기체가 전극을 관통하도록 허용합니다. 전기화학 반응은 3상이 모두 접촉하는 라인, 이른바 3상 경계(TPB)에서만 발생할 수 있습니다. 셀을 가로지르는 수송 현상은 그림 1[1]에 개략적으로 나와 있습니다.

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미세구조의 역할이 강조된 일반적인 고체 산화물 연료 전지를 가로지르는 수송 현상의 개략도

양극 복합재의 복잡성 때문에 미세 구조 지향 설계는 SOFC 개발에서 중요한 단계가 됩니다[2-7]. 이 연구에서 우리는 장기간에 걸쳐 고체 산화물 연료 전지 애노드에서 발생하는 미세 구조 변화를 조사합니다. 심층 분석을 제공하기 위해 주어진 방향에서 미세 구조의 복잡성을 반영하는 이방성 비틀림 계수에 중점을 둡니다. 구조 분석은 집속 이온 빔과 결합된 주사 전자 현미경을 사용하여 수행됩니다. 이 기술은 Wilson et al.에 의해 2006년 SOFC 분야에 도입되었습니다. [8]. 이 방법을 사용하면 이어지는 많은 섹션을 직접 관찰할 수 있으며 결과를 미세 구조의 3D 디지털 표현으로 변환할 수 있습니다. 재구성된 미세구조로부터 미세구조 매개변수를 평가하는 것이 가능합니다[9-11]. 실제 전극 구조에서 직접 얻은 이러한 매개변수는 연료 전지 시스템의 장기간 동안 양극 미세 구조의 진화를 이해하는 데 핵심적으로 중요합니다. 이 기술은 수치 모델링을 개선하기 위해 널리 사용되었으며[12-17], 최근에는 고체 산화물 연료 전지 양극의 열화 메커니즘을 이해하기 위해[18-24] 널리 사용되었습니다. 이는 최근의 결정학적 연구[25, 26]에 대한 귀중한 지지가 되었습니다.

이 논문에서 우리는 SOFC 스택의 장기 작동 동안 미세 구조 진화의 이방성 특성을 처음으로 보고합니다. 우리는 미세 구조가 주로 니켈 입자의 이방성 이동, 성장 및 조대화로 인해 진화한다는 것을 보여줍니다.

실험용 조리개

모듈식 스택 테스트 벤치

노화 테스트는 유럽 최고의 SOFC 제조업체인 SOLID Power에서 설계 및 개발한 MSTB(Modular Stack Test Bench)를 사용하여 수행되었습니다. 설정에 대한 개략도는 그림 2에 나와 있습니다. 스택은 전기로 내부에 있습니다.

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모듈식 스택 테스트 벤치의 개략도

연료와 공기는 질량 유량 컨트롤러와 예열기를 통해 시스템에 공급됩니다. 공기와 연료는 모두 촉매 부분 산화(CPOX) 반응기(연료에 메탄이 포함된 경우)로 공급되거나 연료가 수소와 질소의 혼합물인 경우 이를 우회합니다. 공기는 예열 후 음극 채널에 공급됩니다. 공급된 공기의 산소 일부는 전기화학 반응에서 소모됩니다. 동시에 공기는 셀 스택에서 열을 제거하는 데 사용됩니다. 그런 다음, 공기는 애프터버너로 전달되어 애노드 채널에서 사용되지 않은 연료를 연소시킵니다. 공기 처리의 다른 측면에서 연료는 산화되어 전기를 생성합니다. 이 연구에서 수소의 혼합물인 연료(H₂ ) 및 질소(N₂ )은 예열 후 양극 채널로 공급됩니다. 잔류 연료는 애프터버너에서 산화됩니다. 연소과정을 거친 후 가스를 냉각시켜 응축수를 분리하고 최종적으로 건조가스를 대기로 배출합니다.

그림 2에서 "T"로 표시된 7개의 열전대는 온도 분포를 모니터링합니다. 각 바이폴라 플레이트는 전선에 연결된 다음 전위차 장치에 연결됩니다. 이 구성을 통해 스택의 모든 셀에 대한 전류-전압 특성을 얻을 수 있습니다. 셀의 치수는 60 × 80 [mm × mm]입니다. 반응에 사용할 수 있는 활성 세포 면적은 48[cm² 입니다. ]. 전지는 최대 75%의 연료 활용을 수행하고 1[W cm ⁻² 보다 큰 출력 밀도를 달성할 수 있습니다. ]. 스택은 연료와 공기 흐름이 같은 방향인 병류 구성으로 구성됩니다. 수소와 질소의 혼합물이 시스템의 연료로 사용되었습니다.

설정에 대한 자세한 내용은 다른 곳에서 찾을 수 있습니다[27, 28].

집속 이온빔–주사 전자 현미경

이중 빔 시스템은 하나의 챔버에 주사 전자 현미경(SEM)과 집속 갈륨 이온 빔(FIB) 소스를 결합합니다. SEM은 이미징에 사용되며 FIB는 주로 밀링에 사용됩니다. 제한된 상황에서는 FIB를 관찰에 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 조사된 샘플의 후속 섹션에 대한 고유한 가능성을 제공합니다. 홀더에 넣을 수 있는 재료 샘플의 일반적인 크기는 25mm² 입니다. . FIB-SEM 설정 및 측정 절차는 그림 3에 개략적으로 나와 있습니다. 이온 총 방향은 샘플 표면에 수직이고 전자 총은 이온 소스에 대해 일정한 각도로 기울어져 있습니다. 샘플 섹션의 관찰. 단일 절차 중에 관찰할 수 있는 샘플의 관심 부피는 약 1000 μ입니다. m³ . 집속 이온 빔은 트렌치를 제작하고 최소 대표 부피 크기에 대한 요구 사항을 충족하는 샘플의 교차점을 노출하는 데 사용됩니다. 트렌치를 만든 후 저에너지 Ga ⁺ 를 사용하여 교차점을 연마합니다. 빔과 이미지는 렌즈 내 검출기를 사용하여 촬영됩니다. 이것은 조사된 상(Ni, YSZ 및 기공) 사이에서 예외적으로 우수한 대조를 나타냅니다. SEM 이미지를 촬영한 후 FIB 건은 다른 교차점을 노출하도록 밀링되고 다른 재료 층이 제거됩니다. 관심 볼륨에 따라 200-300개의 이미지를 얻을 때까지 "잘라내기" 절차를 반복합니다. 이 절차를 절편이라고 합니다. 절차는 다음 단계로 요약할 수 있습니다.

1
관심 볼륨에 탄소 층이 증착됩니다.
<그림>
이중 빔 시스템의 구성
2
샘플의 교차점에 접근할 수 있도록 트렌치가 제작되었습니다.
3
단면은 저전류 빔으로 연마됩니다.
4
관찰된 교차점의 SEM 사진은 렌즈 내 2차 전자 검출기를 사용하여 촬영됩니다.
5
FIB 총은 Ga+ 이온 빔을 사용하여 샘플로 밀링하여 다른 교차점을 노출시킵니다.
6
"잘라내고 보기" 절차를 반복하여 2D 이미지 시퀀스를 얻습니다.

잘라내기 및 보기 절차에 대한 아이디어가 그림 3에 나와 있습니다.

실험 방법론

제시된 연구는 발전 실험과 미세 구조 연구의 두 부분으로 나뉩니다. 내구성 연구는 스택을 장기간에 걸쳐 일정한 부하 상태로 유지하여 수행되었습니다. 테스트 기간을 줄이기 위해 온도를 최대 800도까지 높였습니다. ^o C 및 부과된 전류는 실험 시작 시 90W의 출력 전력을 제공하기 위해 19.4A였습니다. 연료 이용률은 75%였다. 자세한 실험 조건은 표 1에 요약되어 있다. 노화 시험 후 스택을 분해하고 시험 후 미세 구조 분석을 위해 9개의 샘플을 선택하였다. 3번의 세포에서 3개의 샘플을 추출했습니다. 1, 3, 5(각 셀의 상류, 중앙, 하류에 위치)는 Fig. 4와 같다. 추가 셀, 소위 기준 셀은 환원 과정 직후에 새로운 셀이었다. 셀은 제조업체에서 제공했으며 전기 화학적 테스트에 참여하지 않았습니다. 따라서 기준 셀의 미세 구조는 노화 테스트 이전의 미세 구조를 나타내는 것으로 가정하는 것이 합리적입니다. FIB-SEM 분석을 위한 모든 샘플은 5mm x 5mm 정사각형의 형태를 가졌으며 다이아몬드 펜을 사용하여 셀(6cm x 8cm)에서 잘라냈습니다. 미세구조 연구에 앞서 모든 샘플에 에폭시 수지를 함침시키고 사포로 연마했습니다. 함침은 SEM 이미징 동안 기공 단계를 인식하는 데 중요합니다. 9개의 샘플 모두 FIB-SEM 기술을 사용하여 분석되었습니다.

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셀 및 스택에서 선택한 샘플의 위치

각 샘플에 대해 얻은 SEM 이미지 세트는 SEM 이미지의 각 영역에 세 단계 중 하나를 할당하는 이미지 분할 프로세스를 거쳤습니다. 분할은 밝기에 따라 이미지 영역에 레이블을 지정하는 과정으로 반자동으로 수행되며 샘플당 최대 1개월의 작업자 작업이 필요합니다. 이미지 분할 과정에 성공하면 이미지 리샘플링이 수행됩니다(그림 5 참조).

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이미지 처리 및 단계 라벨링의 워크플로. 아 원시 이미지입니다. ㄴ 수동으로 제거된 실험 아티팩트. ㄷ 필터링. d 흰색은 니켈, 검은색은 기공, 회색은 YSZ를 나타내는 위상 라벨링

이 백서의 뒷부분에 소개된 랜덤 워크 시뮬레이션에는 3차 복셀이 필요합니다. 이미지 사이의 거리가 이미지의 픽셀 크기와 같아야 함을 의미합니다. 그러나 조각이 많을수록 분할에 더 많은 시간이 필요함을 나타내며 이는 실제로 실행 불가능합니다. 실제로 가장 시간이 많이 걸리는 분할 과정에서 시간을 절약하기 위해 이미지 사이의 거리가 픽셀 크기보다 더 중요합니다. 따라서 입방체 복셀에 대해 분할이 수행되고 후처리 중에 입방체 복셀로 변환됩니다. 리샘플링된 이미지를 기반으로 각 위상의 3차원 형태를 나타내는 표면은 서로 다른 영역 간의 경계면을 삼각형으로 근사화하여 생성되었습니다. 삼각 측량 및 재샘플링은 ThermoFisher Scientific의 AVIZO 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 획득한 3차원 디지털 자료 표현은 그림 6에 나와 있습니다.

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에이징 테스트 전후의 양극 미세 구조의 디지털 재료 표현. 아 참조 샘플. ㄴ 셀 5 상류. ㄷ 셀 5 중앙 d . 셀 5 다운스트림 e 셀 3 상류. 에 셀 3 중앙 g . 셀 3 다운스트림. 아 셀 1 상류. 나 셀 1 센터. j 셀 1 다운스트림

비틀림 계수는 미세 구조 복잡성의 정량적 측정입니다. 비틀림의 개념은 모래층을 통한 흐름을 연구한 Carman[29]에 의해 다공성 매질 연구에 도입되었습니다. 그는 다공성 매질 내부의 유체의 긴 확산 경로를 고려한 요인으로 비틀림을 도입했습니다. 그의 연구에서 그는 두께가 L인 다공성 베드가 _s 균일한 단면과 길이가 L인 구불구불한 모세관 다발로 간주될 수 있음 _e . 유사하게, 고체 산화물 연료 전지 애노드의 경우, 비틀림은 실제 확산 경로 길이와 전극 두께의 비율로 정의될 수 있습니다. 이 단순화된 시스템에서 비틀림은 실제 확산 경로의 길이 비율로 정의됩니다. L _e , 직선 채널의 경우 L 경로로 _s (양극 두께):

$$ \bar{\tau}=\frac{L_{\mathrm{e}}}{L_{\mathrm{s}}}. $$ (1)

비틀림과 비틀림 계수의 차이를 염두에 두는 것이 중요합니다. Carman의 공식에 비추어 볼 때, 비틀림 계수(τ )는 비틀림의 제곱으로 정의됩니다(τ =$\bar {\tau }^{2}$)이며 질량 확산 방정식에서 향상 인자로 사용됩니다.

$$ D_{i,{\text{eff}}}=\frac{ \varepsilon }{ \tau} D_{i}, $$ (2)

여기서 ε 다공성은 D입니다. _나 가스 향신료의 확산 계수 i 가스 혼합물 내부 및 D _{나 ,eff} 는 다공성 매질 내부의 유체의 연장된 확산 경로를 고려한 유효 확산 계수입니다.

실제 양극의 미세 구조에서 연료 경로는 매우 복잡할 수 있으며 가스 연결 경로는 많은 분기를 생성하고 분리했다가 다시 결합할 수 있습니다. 따라서 비틀림 계수를 비틀기의 제곱으로 표시하는 것은 다소 상징적이며 비틀림과 비틀림 계수 간의 실제 관계는 모세관 모델을 사용하여 계산할 수 없습니다. 일부 그룹은 기하학적 비틀림, 침투 계수(P ), 수축 인자(β ) 및 상 부피 분율 [30]:

$$ M=\frac{\left(\phi P \right)^{a} \beta^{b}}{\bar{\tau}^{c}}, $$ (3)

여기서 a , b , 및 c ref에 설명된 방법론에서 파생된 상수입니다. [31]. Peterson[32]에 의해 도입된 수축 인자는 나팔과 병목 현상 사이의 비율로 이해될 수 있습니다. 비틀림 요인을 추정하기 위한 기존 접근 방식에 대한 포괄적인 검토는 Tjaden, Brett 및 Shearing의 검토에서 찾을 수 있습니다[33].

최근 확산 기반 알고리즘은 수축 인자가 필요하지 않아 주목받고 있다. 이는 병목 현상과 돌출부가 확산 과정의 시뮬레이션 중에 직접 고려되고 측정된 값이 확산 계수의 직접적인 감소이기 때문입니다[34].

여기서 가장 유망한 방법 중 하나는 비흡착 입자에 대한 비틀림 계수를 통계적으로 계산할 수 있는 랜덤 워크 프로세스입니다. 이 방법에서는 랜덤 워커라고 하는 많은 마커가 그림 6에서 빨간색 볼륨으로 표시된 기공 단계에 확률적으로 분포되어 있습니다. 각 시간 단계에서 각 워커는 동일한 위상의 인접한 복셀로 무작위로 이동합니다. 마이그레이션을 위해 선택한 복셀이 다른 페이즈에 속해 있으면 워커는 현재 위치에 머물면서 다음 타임 스텝을 기다립니다. 이 과정을 반복하면서 랜덤 워커의 평균 제곱 변위를 계산할 수 있습니다.

$$ {\begin{정렬} \langle \chi \left(\vartheta \right)^{2} \rangle=\frac{1}{ n} \sum_{i=1}^{n} \left[ x_ {i}\left(\vartheta \right)^{2} - x_{i}\left(0 \right)^{2} + y_{i}\left(\vartheta \right)^{2} - y_ {i}\left(0 \right)^{2} + z_{i}\left(\vartheta \right)^{2} - z_{i}\left(0 \right)^{2} \right] , \end{정렬}} $$ (4)

어디에 𝜗 는 랜덤 워크 절차의 무차원 시간이고 n 랜덤 워커의 수입니다.

자유 공간에서 격자 보행에 대한 평균 제곱 변위의 정확한 솔루션은 [35]로 제공됩니다.

$$ \langle \chi \left(\vartheta \right)^{2} \rangle=6D_{0}t=a^{2} \vartheta, $$ (5)

여기서 D ₀ 자유 공간에서의 확산 계수 [m² s ⁻¹ ] 및 t 시간은 [초]입니다. 식의 확산 계수 (5) 도함수를 계산하여 시간의 함수로 다시 작성할 수 있습니다.

$$ D(t)=\frac{1}{6}\frac{{\rm{d}} \langle \chi \left(\vartheta \right)^{2} \rangle}{{\rm{d }}티}. $$ (6)

𝜗 때문에 시간 t의 함수입니다. , 식 (6) 다음 형식을 취합니다.

$$ D(t)=\frac{1}{6}\frac{{\rm{d}} \langle \chi \left(\vartheta \right)^{2} \rangle}{{\rm{d }}\vartheta} \frac{{\rm{d}} \vartheta}{{\rm{d}}t}. $$ (7)

$\frac {\mbox{{d}} \vartheta }{\mbox{{d}}t}$ 부분은 식의 일부에서 파생될 수 있습니다. (5):

$$ 6D_{0}t=a^{2} \vartheta, $$ (8)

기부

$$ \frac{{\rm{d}} \vartheta}{{\rm{d}}t}=\frac{6D_{0}}{a^{2}}, $$ (9)

여기서 a 단순 입방 격자의 격자 상수(즉, FIB-SEM 복셀의 치수)[nm]입니다.

비틀림 계수 τ 자유 공간과 비교하여 다공성 매체에서 평균 제곱 변위의 감소 정도를 설명합니다[34, 36]:

$$ \tau=\frac{D_{0}}{ D(t)}. $$ (10)

Eqs를 결합하여 (7) 및 (10), 하나는 다음 공식에 도달합니다.

$$ \tau=\frac{D_{0}}{ \frac{1}{6}\frac{{\rm{d}} \langle \chi \left(\vartheta \right)^{2} \rangle }{{\rm{d}}\vartheta} \frac{{\rm{d}} \vartheta}{{\rm{d}}t} }, $$ (11)

Eqs를 추가로 통합한 후 (8) 및 (10)은 다음과 같이 됩니다.

$$ \tau=\frac{a^{2}}{ \frac{{\rm{d}} \langle \chi \left(\vartheta \right)^{2} \rangle}{{\rm{d }}\vartheta} }. $$ (12)

수송 현상이 한 방향으로만 고려될 때 다음 표현이 적절합니다.

$$ {\begin{정렬} \langle x \left(\vartheta \right)^{2} \rangle_{\rm{자유}}=\langle y\left(\vartheta \right)^{2} \rangle_ {\rm{자유}}=\langle z \left(\vartheta \right)^{2} \rangle_{\rm{자유}}=\frac{1}{3}\langle r \left(\vartheta \ 오른쪽)^{2} \rangle_{\rm{무료}}=\frac{1}{3} a^{2} \vartheta. \end{정렬}} $$ (13)

따라서, 등방성 비틀림 계수의 추정을 위해 Eq. (12):

$$ \tau_{x,y,z}=\frac{a^{2}}{ 3 \left(\frac{{\rm{d}} \langle \chi \left(\vartheta \right)^{ 2} \rangle}{{\rm{d}}\vartheta} \right) }. $$ (14)

이 방법은 통계를 기반으로 하기 때문에 비틀림 계수를 올바르게 추정하려면 많은 보행기와 큰 평균 제곱 변위가 필요합니다. 결국 워커는 미세 구조의 디지털 표현으로 표현되는 계산 영역을 떠날 것입니다. 이것은 물론 워크가 계산 영역을 벗어날 수 없기 때문에 바람직하지 않습니다. 이 문제를 피하기 위해 위상 미러링이 사용됩니다. 워커가 경계를 넘을 때 원래 미세 구조 재구성의 거울 반사인 새로운 영역에 완전히 나타납니다. 보행자가 경계를 넘을 때마다 디지털 재구성의 전체 복사본을 만드는 것은 컴퓨터 메모리에 너무 무거우므로 하드웨어 리소스를 절약하기 위해 특수 프로그래밍 기술이 적용되었습니다. 위상 미러링은 계산된 비틀림이 전체 양극이 아니라 조사 대상 볼륨의 복잡성만 반영하기 때문에 이 방법의 주요 제한 사항입니다.

등방성 비틀림을 기반으로 다음과 같이 정의된 등방성 계수를 도입합니다.

$$\begin{array}{@{}rcl@{}} \xi &=&\sqrt{ \left(\tau_{x}-\tau_{r} \right)^{2} + \left(\ tau_{y}-\tau_{r} \right)^{2} + \left(\tau_{z}-\tau_{r} \right)^{2} }, \end{배열} $$ (15 )

여기서 τ _x ,τ _와 , 및 τ _z x의 이방성 비틀림 계수는 다음과 같습니다. , y , 및 z 각각 방향 및 τ _r 변위가 발생하는 방향에 관계없이 보행기의 총 변위에 대해 계산된 비틀림 계수입니다.

결과 및 토론

그림 7은 에이징 테스트 중 스택의 평균 단자 전압을 보여줍니다. 보시다시피 성능 저하의 증거는 없습니다. 또한 처음 1,000시간 동안 작동하면 극성이 감소합니다. 우리의 이전 결과는 성능 저하가 없음에도 불구하고 반응 표면 접촉 표면이 상당히 감소함을 나타냅니다[24]. 우리는 TPB의 붕괴가 불균일하고 스택의 위치에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다[24]. 이 논문에서 우리는 미세구조의 진화가 불균일할 뿐만 아니라 이방성임을 보여줍니다. 양극의 복잡성은 그림 6에 제시된 디지털 재료 표현을 사용하여 파생된 이방성 비틀림 계수를 기반으로 추정되었습니다.

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장기간 작동 시 작동 시간에 따른 단자 전압

비고 실제 실험에서 얻은 관심 부피의 직경은 실험 인공물의 존재로 인해 서로 다릅니다. 커튼 효과, 음영 및 재배치와 같은 가장 일반적인 인공물은 접근 가능한 단면을 제한할 수 있습니다. 결과적으로 적절하게 인식되고 분할될 수 있는 볼륨은 측정마다 다릅니다. 어떤 경우에는 10 μ 이상을 얻을 수 있습니다. z의 m 방향; 그러나 커튼은 음질에 영향을 미치므로 y 방향이 제한되었다. 다른 사람들에게는 이미지가 y에서 선명했습니다. 그러나 제한된 수의 이미지만 올바르게 정렬할 수 있었습니다. 정량화의 경우 각 볼륨은 약 1000 μ m³ . 그러나 시각화를 위해 이미지를 하나의 일반적인 크기인 10 μ로 트리밍했습니다. m × 8 μ m × 5 μ m은 그림 6에서 병치 및 비교할 수 있도록 합니다.

비틀림 요인 추정의 방법론은 "실험 방법론" 섹션에서 간략하게 소개되었습니다. 그림 8은 셀과 스택의 여러 위치에 대한 이방성 계수를 보여줍니다. 참조 샘플과의 비교도 제공됩니다. 결과에서 관찰된 일반적인 경향으로 인해 다음과 같은 결론이 도출되었습니다.

기준 양극 물질은 노화 테스트 중에 강한 등방성으로 발전하는 등방성 특성을 가지고 있습니다.

스택 및 셀의 다른 위치에서의 이방성 계수, 여기서 UP, CE 및 DW는 각각 셀의 업스트림, 센터 및 다운스트림을 나타내고 약어 REF는 참조 셀에 해당합니다.

일반적인 경향은 세포의 하류로 이동함에 따라 이방성 인자가 증가하는 것입니다.

강한 이방성은 니켈 및 기공 상에서만 관찰되었습니다. 이트륨 안정화 지르코늄은 등방성을 유지합니다.

이방성의 가능한 원인은 니켈 입자의 조대화[37-39]와 이전 연구[23, 24, 40] 및 다른 연구 그룹[18, 41]에서 관찰된 이동입니다. 장기간 작동하는 동안 니켈 입자는 양극 전해질 계면에서 양극 표면으로 이동합니다. 마이그레이션은 주로 한 방향으로 발생하기 때문에 미세 구조의 이방성을 유발합니다. 이는 또한 이방성이 니켈 및 기공 상에만 영향을 미치는 이유를 설명합니다. 자세한 메커니즘은 불분명하지만 니켈 입자가 양극-전해질 계면에서 양극 표면으로 이동하는 가능한 원인은 수산화니켈과 같은 휘발성 니켈 종의 기화-증착이다. 이는 니켈의 불균일성과 불연속적인 전자 전도 경로를 야기할 것입니다[42].

오늘날 SOFC 시뮬레이션에 사용되는 대부분의 가스 확산 모델은 균질한 다공성 전극을 가정합니다. 대부분의 응용 프로그램에 대해 정확하지만 우리의 결과는 이러한 균질한 가정이 성능 저하 후에 유지되지 않을 수 있음을 보여줍니다. 이 기사에서 제시된 관찰의 직접적인 의미는 오래된 샘플의 미세 구조 매개변수를 수치 시뮬레이션에 구현하려는 경우 모델에서 고려되는 수송 현상의 방향을 염두에 두는 것이 중요하다는 것입니다. 결과적으로 미세구조 매개변수에서 적절한 등방성을 추출해야 합니다(등방성이 감지된 경우). 얻어진 결과를 바탕으로, 비틀림 계수가 확산 계수의 감소율을 정량적으로 표현하기 때문에 확산을 고려할 때 이방성이 특히 중요하다는 결론을 내릴 수 있습니다. 장기간 작동 후 취한 다양한 양극의 미세 구조 매개변수를 병치하면서 이방성 방향을 염두에 두는 것은 제시된 관찰에 대한 또 다른 실용적인 제안입니다.

일반 결론

이 논문에서 우리는 SOFC의 장기간 작동이 양극에서 미세 구조의 이방성을 유발할 수 있음을 처음으로 보여주었습니다. 확장 발전 실험은 짧은 스택을 사용하여 수행되었습니다. 국부적으로 분해된 미세구조 분석은 FIB-SEM 나노단층촬영을 사용하여 노화 시험 전후에 수행되었다. 양극 미세 구조의 얻은 3D 재구성은 이방성 비틀림 계수를 계산하기 위해 확산 기반 알고리즘으로 구현되었습니다. 결과는 장기간 작동이 조사된 양극의 니켈 및 기공 상에서 강한 이방성을 초래했음을 나타냅니다. 에이징 테스트 후 양극의 이방성 특성의 가능한 원인은 니켈 입자의 이동, 성장 및 조대화입니다.

데이터 및 자료의 가용성

이러한 결과를 재현하는 데 필요한 원시 및 공정 데이터는 데이터가 진행 중인 연구의 일부를 구성하므로 현재로서는 공유할 수 없습니다.

약어

CPOX:: 촉매 부분 산화
FIB:: 집중 이온빔
MSTB:: 모듈식 스택 테스트 벤치
SEM:: 주사 전자 현미경
SOFC:: 고체산화물 연료전지
TPB:: 삼중 위상 경계
YSZ:: 이트리아 안정화 지르코니아

3A-Amino-3A-Deoxy-(2AS, 3AS)-β-Cyclodextrin Hydrate/Tin Disulfide Modified Screen-Printed Carbon Electrode for Electrochemical 폴리염화 비페닐의 검출 안면 인식 애플리케이션을 위한 ReS2 Charge Trapping Synaptic Device

나노물질