EBSD在固体氧化物燃料电池中的作用

燃料电池是讨论全球能源需求的主要部分。燃料电池是一种高效的动力来源，具有长期稳定性和低排放。

图1所示。固体氧化物燃料电池原理图

以氢为动力的燃料电池重量轻，体积小，排放低，而且没有主要的运动部件。因此，它们主要是有吸引力的应用在偏远地区。燃料电池是一种由电解液隔开的阴极和阳极组成的电化学转换装置。电力是通过在阳极引入燃料，当氧化剂存在于阴极时产生的。氧化剂和燃料在电解质中发生反应。

虽然有广泛的燃料电池类型，这篇文章将集中在固体氧化物燃料电池简称SOFCs，其电解液为固体氧化物。长期稳定、高效、低排放、燃料灵活性和相对低成本是SOFCs的优点。但是，[1]的主要缺点是工作温度过高。SOFC的基本组成非常简单;然而，在不同的组件中使用的材料的功能需求是非常具有挑战性的。欧洲杯足球竞彩

电解液

在选择电解液材料时，必须考虑下面提到的一系列特性:

• 至少电子导电率
• 高离子电导率
• 与阴极和阳极材料的化学反应性欧洲杯足球竞彩
• 在氧化和还原气氛中的稳定性
• 工作温度
• 防止燃料和氧化气体混合的不透气性

yttria（Y.₂O_3.)稳定氧化锆(ZrO₂)或YSZ是应用最广泛的SOFC电解质材料。通常需要850℃以上的工作温度。这种高工作温度对制造燃料电池所用的材料提出了严格的要求。欧洲杯足球竞彩操作温度主要由电解液的性质，即电解液层的厚度及其离子电导率控制。因此，可以通过两种可能的方法来降低操作温度。一是减小电解液层厚度，二是寻找氧离子电导率较高的其他电解液材料[2]。欧洲杯足球竞彩

薄膜沉积技术可以减少薄膜厚度，这是一个正在进行的研究领域，特别是移动电子应用。许多不同的材料正在研究中，例如，钆掺杂二氧化欧洲杯足球竞彩铈，以及二氧化铈和氧化锆掺杂其他氧化物。此外还考虑了没食子酸镧基结构[2]、钛酸锶[3]和钙钛矿型氧化物[4]。

这些材料在体欧洲杯足球竞彩系中存在的氧化和还原气氛中，在离子电导率和耐久性方面有不同的优点和缺点，因此是正在进行的研究的焦点。另一个研究领域是通过受控加工优化材料微观结构以提高性能，例如离子电导率。

阳极

阳极是电解液上的多孔层，其中氢燃料被扩散通过电解液的氧离子氧化，产生水和电。阳极材料必须满足以下要求:

• 多孔
• 导电
• 氧化促进氢气燃料
• 与电解液热膨胀相似
• 在还原气氛中稳定
• 离子导电
• 与电解质的化学反应性

阳极可以由金属组成，因为靠近阳极的燃料是还原剂。然而，该材料在操作时不应氧化，因此将候选金属限制为钴、镍和贵金属。镍是最常用的金属，因为它的成本相对较低。为了促进燃料向电解液的流动，阳极必须在增加的工作温度下保持多孔性。另一种情况是适当减少电解液与阳极之间的热膨胀失配，以保持界面的附着力。这两个条件是通过在固体电解质材料中扩散镍形成金属陶瓷[2]来实现的。

对阳极材料的偏好可能主要是因为电解质材料变化。考虑的其他材欧洲杯足球竞彩料包括用于基于二氧化铈 - 钆的SOFC的镍/铈金属陶瓷，使用各种掺杂剂，以及导电氧化物如Lacro_3.[2]和SrTiO₂[5]。

在电解质材料方面，也在进行微观结构优化的研究。电导率取决于微观结构，特别是固体电解质和镍颗粒的尺寸和粒径分布，以及镍颗粒在金属陶瓷中的连通性。欧洲杯猜球平台

阴极

阴极是电解质上的多孔层，在这里氧气发生还原产生氧离子，氧离子依次通过电解质扩散。阴极有一组特殊的要求:

• 电子导电
• 促进氧气减少
• 多孔
• 在氧化气氛中稳定
• 与电解质热膨胀相似
• 离子导电
• 与电解质发生化学惰性

在高工作温度下保持这些标准限制了阴极材料选择为电子导电氧化物或贵金属。由于贵金属价格昂贵，电子导电氧化物被专门使用。掺锶锰酸镧(LSM)是应用最广泛的金属，其热膨胀系数可与YSZ相媲美。

正极材料的选择就像阳极一样，主要是由于电解液材料的变化。镧锶钴铁氧体[1]和LaCoO_3.[2]是正在考虑的其他材料。欧洲杯足球竞彩此外，通过微观结构优化提高电导率等不同的性能方法也正在研究中。

互连

互连在阳极和阴极之间提供电接触。通常，在每个单独的单元之间存在互连，以集成堆叠中所有单元的电气输出。因此，它必须在阴极处的氧化气氛中具有高导电性，以及在阳极处的还原气氛中，随着工作温度的增加，在两个大气中稳定。因此，互连必须满足以下条件集。

• 高导电
• 与阴极、阳极或电解液发生化学惰性的
• 类似于阴极、阳极和电解液的热膨胀
• 不透水
• 在氧化和还原气氛中稳定

这些要求严重限制了材料的选择，特别是在基于YSZ的SOFC的高工作温度下。欧洲杯足球竞彩基于氧化锆的大部分SOFC使用镧系元素（LaCro_3.）.由于低温SOFCs正在开发，其他材料如SrTiO欧洲杯足球竞彩₂考虑到[5]和Crofer 22 APU[6]。Crofer 22、耐高温不锈钢，具有良好的氧化层导热性，具有较高的导电性，低的热膨胀系数，以及在高温下的热稳定性。

描述

EDAX的扫描电子显微镜(SEM)为基础的仪器是研究和开发SOFCs的理想选择。能量色散光谱(EDS)具有在亚微米长度尺度下测定化学成分的能力。电子背散射衍射(EBSD)提供数十纳米范围内的晶体学信息。

EDS研究的实例包括基本燃料电池材料的化学成分和成分的空间分布。欧洲杯足球竞彩扫描电镜(SEM)上的EDS微观电势使观察不同燃料电池组分界面反应区的组分梯度成为可能。例如，图2显示了铬在克罗弗互连和它的氧化鳞片之间的界面的空间分布的峰值。

图2。经过测试的SOFC的铬EDS线扫描示意图显示从不锈钢互连到锰的铬迁移很小_1．5有限公司_1．5O₄障涂层。［７］

EDS也可以用于定量微观结构中特定特征的化学成分。然而，有些相会产生具有不同晶体结构但相同化学成分的多态物。在这种情况下，在EDAX独特的ChI-Scan™软件的帮助下，将EDS与EBSD相结合，可以清楚地确定这些阶段。图3展示了一个这样的例子。在这张图中，EBSD被用来区分YSZ的立方相和单斜相。结合EBSD结果和同时收集的EDS数据表明，立方氧化锆中相对于单斜氧化锆中富含钇。

图3。同时获得了钇的EBSD相图和EDS元素图，显示了相与钇含量之间的相关性。［8］

随着EBSD数据可以通过最近的最近取向成像显微镜（OIM™）系统的帮助快速和自动收集，晶体取向的空间分布可以在微结构内映射。ysz的一个例子如图4所示。地图是根据随附的规模着色。红色的晶粒具有垂直于截面平面的轴，绿色轴是[101]型，而蓝色是[111]型。这里，没有所需的方向。通过这些信息，科学家可以将性质与微观结构的方向相关联。

图4。ysz的EBSD定向图

氧化率和取向之间的关系是一个例子。通过将微电色化学实验与EBSD集成，达维粥和König[9]已经证明氧化是取向的函数。在使用EBSD扫描测量区域之后，将光致抗蚀剂微电极施加到多晶钛样品中的特定颗粒。电化学和EBSD结果在图5中概述了10 V的电位。

图5。(a)标记特定颗粒的方位图。(b)根据(a).[9]中标记晶粒的微电化学测量结果显示电流密度随取向的变化

平行于表面的基面和垂直于表面的基面得到的结果明显有很大的不同。作者进一步将EBSD图案的质量与氧化层的厚度联系起来。由于燃料电池材料的氧化速率是各向异性的，因此可以通过过程控制来增强材料的微观结构来调节材料的性能。欧洲杯足球竞彩目的是根据特定的应用，形成一个理想的取向，以增加晶粒的比例，使其具有平行于表面或垂直于表面的抗氧化平面。

离子试图通过晶体结构追求能量最低的路径。因此，离子电导率通常是一种各向异性材料性质。此外，由于陶瓷中的化学键不同，晶界不像金属中那样致密。因此，离子沿晶界和跨晶界的扩散通常比在[10]晶界内的更快。

一些作者已经检查了晶界对离子电导率的影响[3​​,5]。然而，这是一个需要进一步研究的领域。例如，Shih等人。[3]已经研究了Σ3型边界的角色在SRTIO的离子电导率中的作用_3.使用EBSD。Σ3边界是独特的，在这个意义上，它们在两个晶格之间的边界有很高比例的重合。图6展示了OIM™测量的YSZ样品(如图4(a)所示)中特殊边界的分布。这里，特殊边界的分数不大;大部分晶界为无规则的高角度晶界。必须注意的是，OIM™还可以量化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的，如图6(b)所示。

图6。(a)特殊晶界的分布，(b) YSZ EBSD数据的反极图纹理图，如图4所示。

通过深入了解电流或带电离子是如何通过微结构传导的，材料工程师可以定制微结构，以实现特定应用的最佳性能。欧洲杯足球竞彩例如，我们可以考虑以下三个条件。

1. 对于形状各向异性性质 - 意味着该性能在晶粒伸长方向上比横向更好 - 光学微观结构是图7（a）中所示的。这种微观结构也是沿着晶界更强的材料性能而不是通过晶粒最佳。例如，如果离子物质的扩散沿着晶界更快地沿晶粒更快，则该微观结构将增强垂直方向的扩散。实际上，在这种情况下，更优化的微观结构将由延伸穿过层的整个厚度的非常薄的棒构成。
2. 对于一种各向异性最强的材料，它在一个晶体学方向上比另一个晶体学方向上更强，将这个晶体学方向与体的方向对齐会更好，如图7(b)所示。
3. 如果特定类型的边界比其他类型的边界更适合于材料的特性，那么将良好的边界类型对准更好的性能改进的方向将是有利的，如图7(c)所示。

图7。理想的材料性能的微结构，其中(a)在晶粒延伸方向或沿晶界的性能比通过晶粒内部的性能更强，(b)该特性在特定的晶体方向上更强，或(c)某些晶界类型(白色)的特性更强，其他(黑色)的特性更弱。

实际上，不可能实现所有微观结构，并且性质也可以在晶粒和晶界类型内晶体地晶体上的不同之处，使得一些混合结构将提供最佳的整体性能。此外，在几乎所有情况下，目标是改善一个财产而不会对其他性质产生不利影响。因此，必须考虑平衡的方法。EBSD表征晶粒取向的潜力，以及晶界杂散化使其成为一种完美的工具，用于表征微观结构，以确保正在实现微观结构工程的目标。这自动EBSD系统允许对微观结构的这些方面进行具有统计可靠性的表征。

结论

EBSD.是一种适合固体氧化物燃料电池研究和开发的表征要求的工具，特别是在表征取向和也在多晶微结构的晶界。此外，EBSD和EDS的结合增加了这两种方法的潜力，在微观尺度上满足广泛的材料表征要求。欧洲杯足球竞彩

参考

固体氧化物燃料电池

[2] r.m. Ormerod(2003)“固体氧化物燃料电池。”化学学会Reviews 32,17-28。

[3] S.-J。施，毕晓普，D. J. H. Cockayne(2009)。"多晶钛酸锶中三种错位的分布"欧洲陶瓷学会杂志29:3023-3029.

关键词:中温SOFC燃料电池技术中的电解质:现状与展望北约燃料电池技术高级研究研讨会论文集：2004年6月6日至10日，乌克兰基辅，eds。N. Sammes, A. Smirnova & O. Vasylyev，施普林格:荷兰，19-34。

[5] F. Horikiri, L. Q. Han, A. Kaimai, T. Otake, K. Yashiro, T. Kawada & J. Mizusaki(2006)。晶界对施主掺杂SrTiO电导率的影响_3.”固体离子学177: 2555 - 2559。

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

[7] S.P. Simner, M.D. Anderson，夏国刚，杨振中，J.W. Stevenson(2005)。涂层铁素体不锈钢互连的SOFC长期稳定性陶瓷工程与科学学报欧洲杯线上买球26日:83 - 90

[8] P. M. delafforce, J. A. Yeomans, n.c. Filkin, G. J. Wright， & R. C. Thomson(2007)。NiO对钇稳定氧化锆相稳定性和微观结构的影响美国陶瓷学会杂志90: 918 - 924。

[9] B. Davepon，J.W. Schultze，U.König＆C. Rosenkranz（2003）。“多晶钛的粒子晶粒的结晶取向及其对电化学过程的影响。”表面及涂层技术169 - 170: 85 - 90

《陶瓷材料》，上海:上海科学技术出版社，2007年版，pp. 197-198欧洲杯足球竞彩

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