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燃料电池测试技术热门新看点(图文)

2019/10/16 14:35:233957

测量一个燃料电池的整体性能相对比较容易，但是测量在燃料电池运行时个别组件的性能却极具挑战性。这是因为当电化学设备在运行时，研究它的各个部件性能的最佳实验技术是X射线光电子能谱学(XPS)。传统的XPS只能在真空中工作，而燃料电池需要气体在高压下才能运行。现在，一支来自于美国马里兰大学、美国能源部下属的桑迪亚国家实验室和美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室组成的科学家团队使用一种称为环境压力X射线光电子能谱学(APXPS)的新型XPS技术，能够观察固体氧化物电化学电池工作时的所有功能特征。电池测试是一块单电池在高达750摄氏度（1382华氏度）高温下和氢气和水蒸气压力为一个毫巴（约千分之一大气压）运行下进行的。研究人员在2010年11月的《Nature Materials》公布了他们的研究成果。在固体燃料电池(SOC)，电子循环开始于阴极，通过加入自由电子电离氧（通常氧来自于空气）。然后这些氧离子流经固体氧化物电解质，在这一过程需要高温维持氧离子穿过电解质的良好的传导性。

氧离子穿过电解质到达阴极，氧化燃料（燃料一般为纯氢或者碳氢化合物）。在设备的电路中氧化释放的自由电子形成电流，最后到达阴极。未使用的燃料和其他化合物，以及由氢离子和氧离子形成的水最后排出燃料电池。

研发人员与APXPS探测器

使用静电透镜，APXPS探测器收集由于X射线的作用而从样品表面发射的光电子。在局部测量化学状态（绿色圆圈）和电势（红色方块）。在电极（绿色）与电解质（蓝色）重叠的位置测量到的活性最高。在一个为燃料电池运行所必须气体压力的密闭的空间里，APXPS系统发生出X射线照射到样品上。然后样品发出的电子束穿过密室抽至压力较低的地方，最后进入有高真空室的探测器。因为电子的传播轨迹，在每一个阶段都会失去一部分发射出的电子，在这一过程遗留下的电子信号因为太弱而不会对结果产生影响。因此，伯克利实验室的研究人员研发的“透镜”系统—不是由玻璃制成而是由电场制成—为了防止过度流失捕获和重新调整各阶段的发射电子。

如图所示，在一个基本的固体氧化物燃料电池，在阴极一侧氧气被氧化电离释放出自由电子，氧离子穿过电解质到达阳极一侧。在APXPS实验中的电池模型，所有的部件在电解质的同一侧，从而可以被X射线照射到。在APXPS实验中，美国马里兰大学的合作者设计了一个长度小于两毫米的微型结构，这个结构里包括了固体燃料电池所有必须额元素。除了电解质之外，其他组件的厚度都在30纳米（十亿分之一米）到300纳米之间的厚度。马里兰州的艾希霍恩大学说：“我们设计和制作固体氧化物电化学电池对所有的组件都提供精确的尺寸控制，同时提供这个电池从阳极到阴极所有的光纤接入口。” 与一个真正的燃料电池堆叠所有的部件不同，样品的所有部件的布置在一个平面上，即所有的部件在电解质的同一侧，从而所有的部件可以被X射线照射到。这使得可以直接测量在电池运行时的局部化学状态、表面和界面的电化学状态。当光从一种材料中激发出电子就发生了光电效应。通过收集和分析其发射电子的能量和轨迹，光电子能谱准确地建立这种组成这种材料的元素以及在一块狭小的区域里这些元素的化学状态和电子状态。在所有的光源中，使用强烈的X射线就可以帮助发现在材料表面或者表面附近发生了什么：只有光电子可以从表面附近的原子中逃脱出来。