在热和压力下测量燃料电池的各个组件是一项挑战

2019-04-15 09:32:59
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测量燃料电池的整体性能相对容易,但在它们协同工作时单独测量其组件是一项挑战。这是因为研究电化学装置运行细节的最佳实验技术之一是X射线光电子能谱(XPS)。传统的XPS只能在真空中工作,而燃料电池需要在压力下才能发挥作用。

现在,来自马里兰大学,美国能源部桑迪亚国家实验室和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家团队使用了一种新的XPS,称为环境压力XPS(APXPS)来检查工作的每个特征。固体氧化物电化学电池 在样品池在一毫巴压力(约千分之一大气压)和非常高的温度(高达750摄氏度(1,382华氏度))的氢气和水蒸气的气氛中操作时进行测试。

“我们的团队,通过化学和生物化学的马里兰大学系的布莱恩艾希霍恩领导,对于U马里兰,我们桑迪亚实验室的同事们在收集电化学数据的经验,和伯克利实验室自身的发展相结合在燃料电池中的专业知识在原位进行X射线光电子能谱的方法,“伯克利实验室高级光源(ALS)的Zahid Hussain说。“我们一起能够在真实的操作条件下测量固体氧化物燃料电池的基本特性。”

研究人员在2010年11月出版的“ 自然材料 ” 杂志的一篇文章中报道了他们的研究结果。

固体氧化物燃料电池如何工作

像电池一样,燃料电池是一种利用化学反应产生电能的装置。与电池不同,只要燃料电池从外部供应燃料和氧化剂,燃料电池就不会耗尽。主要组分是两个电极,阳极和阴极,由电解质隔开。

在固体氧化物电池(SOC)中,循环开始于阴极,其通过添加自由电子来电离氧(通常来自空气)。然后,这些氧离子流过固体氧化物电解质(SOC得名),通常是称为氧化钇稳定的氧化锆的材料。需要高温来维持氧离子通过电解质的良好传导。

氧离子穿过电解质到达阳极,在那里它们氧化燃料。(燃料可以是纯氢气或碳氢化合物。)通过氧化释放的电子形成装置电路中的电流并最终返回阴极。未使用的燃料或其他化合物,加上由正氢离子和负氧离子形成的水离开燃料电池。

对于APXPS实验,马里兰大学的合作者建造了一个模型燃料电池,它将SOC的基本元素与长度小于2毫米的特殊小型化设计相结合。除了形成器件基底的氧化钇稳定的氧化锆的电解质之外,各种组分是从30纳米(十亿分之一米)到300纳米厚的薄膜。

马里兰大学的Eichhorn说:“我们设计并制造了固体氧化物电化学电池,可以对所有元件进行精确的尺寸控制,同时提供从阳极到阴极的整个电池的完全光学通路。”

不是像真实的燃料电池那样堆叠组件,样品的布置是平面设计,将所有组件放置在电解质的同一侧,因此来自ALS的X射线束可以到达它们。这允许在电池运行期间直接测量表面和界面处的局部化学状态和电势。

介绍环境压力X射线光电子能谱

当光从材料中射出电子时发生光发射。通过收集发射的电子并分析它们的能量和轨迹,光电子能谱确切地确定了材料中的元素以及它们在狭窄区域内的化学和电子状态。在高级光源中,强烈的X射线光用于探索材料表面或附近发生的事情:唯一可以逃逸的光电子来自表面附近的原子。

APXPS系统首先将X射线束照射在腔室内的样品燃料电池上,使其工作所需的气体环境压力。然后发射的电子穿过泵送到较低压力的腔室,最后进入检测器的高真空室。由于它们的扩散轨迹,这种布置本身会在每个阶段丢失发射的电子,从而使信号太弱而无法使用。伯克利实验室的研究人员开发了一种“透镜”系统 - 不是由玻璃制成,而是由电场制成 - 用于捕获和重新聚焦每个阶段发射的电子,防止过度损失。

“这使得我们能够在气体存在的情况下找出样品表面小区域内发生的情况,”伯克利实验室化学科学部的Hendrik Bluhm说,他是APXPS的发明者之一,获得了令人垂涎的成就。 2010年获得R&D 100奖。“在ALS的分子环境科学光束线,11.0.2和化学和材料科学光束线,9.3.2中使用APXPS仪器,我们可以在空间上将催化活性与整个电场的电势相关联。模型燃料电池的不同组成部分。“

ALS的刘志说:“起初我们不确定我们是否可以将这种技术用于运行的燃料电池,因为我们不得不将它带到750°C - 这种环境压力实验的极端温度。很少有人以前做过。现在我们能够定期进行这种分析。“

ALS的迈克尔·格拉斯说:“改善任何类型的燃料电池需要知道的是效率低下的地方 - 与理论上应该可能的能量相比,能量损失的地方。通过扫描电池表面的同时它正在运作,我们可以直接测量低效率和与之相关的化学状态。“

一种研究电化学作用的新方法

凭借他们的模型SOC,马里兰 - 桑​​迪亚 - 伯克利实验室团队在运行中的燃料电池中看到了前所未有的细节。在总体测量仅给出燃料电池的潜在能量总损失的情况下,APXPS测量发现了与电极和电解质的界面以及二氧化铈电极内的电荷传输相关的局部潜在损失。损失的总和等于电池的总损耗或低效率。

“在750℃的原位XPS实验使我们能够确定电活性区域,测量通过混合离子电子导体的电子传输的长度尺度,并绘制出整个细胞的潜在损失,”Eichhorn说。“其他人在过去曾提出类似的实验,但ALS的卓越设施和科学专业知识首次为这些具有挑战性的测量提供了便利。”

APXPS可以为固体氧化物燃料电池设计者提供这种基本信息,这是使用任何其他技术无法获得的信息。新的燃料电池设计已经在利用这种新方法研究运行中的燃料电池。

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