Evolusi Mikrostruktur Anisotropik dalam Anoda Sel Bahan Bakar Oksida Padat

Abstrak

Penelitian yang disajikan menunjukkan bahwa operasi jangka panjang dari sel bahan bakar oksida padat dapat menyebabkan perubahan anisotropik substansial dalam bahan anoda. Morfologi struktur mikro pada tumpukan yang diselidiki diamati sebelum dan sesudah uji penuaan menggunakan nanotomografi elektron. Parameter mikrostruktur diperkirakan berdasarkan representasi digital yang diperoleh dari mikrostruktur anoda. Anisotropi ditemukan dalam dua dari tiga fase yang membentuk anoda, yaitu nikel dan pori-pori. Komponen ketiga dari anoda, yaitu zirkonia yang distabilkan dengan itrium, tetap isotropik. Perubahan muncul pada skala mikro dan secara signifikan mempengaruhi fenomena transpor elektron dan gas. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa bahan anoda referensi yang mewakili struktur mikro sebelum uji penuaan memiliki sifat isotropik yang berkembang menuju anisotropi kuat setelah 3800 jam operasi konstan. Temuan yang disajikan sangat penting untuk simulasi numerik yang kredibel dari sel bahan bakar oksida padat. Mereka menunjukkan bahwa semua model homogen harus cukup memperhitungkan parameter mikrostruktur yang menentukan anisotropi fenomena transportasi, terutama jika data mikrostruktur diambil dari anoda pasca-operasional.

Latar Belakang

Sebuah sel bahan bakar oksida padat (SOFC) adalah perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia hidrogen langsung menjadi listrik. Sebuah sel tunggal biasanya memiliki bentuk pelat datar di mana elektrolit penghantar ion yang kedap dan padat diapit di antara dua elektroda katalitik berpori:anoda dan katoda. Bahan bakar diumpankan ke sisi anoda, dan udara disuplai ke katoda. Gas tidak dapat bercampur untuk menghindari pembakaran yang tidak produktif. Sebaliknya, gas menabrak bahan katalis, kehilangan elektronnya, dan membentuk kapasitor di kedua sisi elektrolit. Karena reaksi lebih lambat di sisi katoda, perbedaan potensial muncul antara kedua elektroda. Perbedaan potensial ini, bersama dengan gradien tekanan oksigen, adalah kekuatan pendorong yang menggerakkan ion oksigen dari katoda ke anoda. Dalam hal ini, morfologi struktur mikro elektroda sangat penting. Anoda tipikal terdiri dari fase nikel (Ni), fase zirkonia yang distabilkan yttria (YSZ), dan fase pori. Setiap bahan memainkan peran penting dalam proses transportasi di SOFC dengan menyediakan jalur untuk spesies yang berbeda. Dalam kasus anoda, fase YSZ menyediakan jalur untuk ion oksigen, fase Ni untuk elektron, dan fase pori memungkinkan gas untuk menembus elektroda. Reaksi elektrokimia hanya dapat terjadi pada garis di mana ketiga fase bersentuhan, yang disebut batas tiga fase (TPB). Fenomena transpor melintasi sel disajikan secara skematis pada Gambar. 1 [1].

Tampilan skema dari fenomena transportasi di sel bahan bakar oksida padat yang khas dengan peran struktur mikro yang disorot

Karena kompleksitas dari komposit anoda, desain berorientasi mikro menjadi langkah penting dalam pengembangan SOFC [2-7]. Dalam karya ini, kami menyelidiki perubahan struktur mikro yang terjadi pada anoda sel bahan bakar oksida padat selama periode operasi yang lama. Untuk memberikan analisis mendalam, kami fokus pada faktor tortuositas anisotropik yang mencerminkan kompleksitas struktur mikro dalam arah tertentu. Analisis struktur dilakukan dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian digabungkan dengan berkas ion terfokus. Teknik ini diperkenalkan ke bidang SOFC pada tahun 2006 oleh Wilson et al. [8]. Metode ini memungkinkan pengamatan langsung dari banyak bagian berikut dan mengubah hasilnya menjadi representasi digital 3D dari struktur mikro. Dari struktur mikro yang direkonstruksi, dimungkinkan untuk mengevaluasi parameter struktur mikro [9-11]. Parameter ini, seperti yang diperoleh langsung dari struktur elektroda nyata, adalah kunci penting untuk memahami evolusi mikrostruktur anoda selama jangka panjang dari sistem sel bahan bakar. Teknik ini secara luas digunakan untuk meningkatkan pemodelan numerik [12-17] dan baru-baru ini untuk memahami mekanisme degradasi anoda sel bahan bakar oksida padat [18-24]. Itu menjadi dukungan yang berharga untuk studi kristalografi baru-baru ini [25, 26].

Dalam makalah ini, kami melaporkan, untuk pertama kalinya, karakter anisotropik dari evolusi struktur mikro selama operasi jangka panjang tumpukan SOFC. Kami menunjukkan bahwa struktur mikro berkembang terutama karena migrasi anisotropik, pertumbuhan, dan pengerasan partikel nikel.

Apertur Eksperimental

Bangku Pengujian Tumpukan Modular

Uji penuaan dilakukan menggunakan Modular Stack Test Bench (MSTB) yang dirancang dan dikembangkan oleh SOLID Power, produsen SOFC Eropa terkemuka. Tampilan skema pada set-up disajikan pada Gambar. 2. Tumpukan terletak di dalam tungku listrik.

Tampilan skema pada Modular Stack Test Bench

Bahan bakar dan udara dipasok ke sistem melalui pengontrol aliran massa dan pemanas awal. Udara dan bahan bakar dimasukkan ke dalam reaktor oksidasi parsial katalitik (CPOX) (jika bahan bakar mengandung metana) atau melewatinya jika bahan bakarnya adalah campuran hidrogen dan nitrogen. Udara disuplai ke saluran katoda setelah pemanasan awal. Bagian dari oksigen di udara makan dikonsumsi dalam reaksi elektrokimia. Pada saat yang sama, udara digunakan untuk menghilangkan panas dari tumpukan sel. Kemudian, udara dialirkan ke afterburner untuk membakar bahan bakar yang tidak terpakai dari saluran anoda. Di sisi lain pengolahan udara, bahan bakar dioksidasi untuk menghasilkan listrik. Bahan bakar yang dalam penelitian ini adalah campuran hidrogen (H₂ ) dan nitrogen (N₂ ) diumpankan ke saluran anoda setelah pemanasan awal. Bahan bakar sisa dioksidasi di afterburner. Setelah proses pembakaran, gas didinginkan, air yang terkondensasi dipisahkan, dan gas kering akhirnya dibuang ke udara ambien.

Tujuh termokopel ditandai dengan "T" pada Gambar. 2, memantau distribusi suhu. Setiap pelat bipolar dihubungkan ke kawat, yang kemudian dihubungkan ke potensiostat. Konfigurasi ini memungkinkan untuk memperoleh karakteristik tegangan arus untuk setiap sel dalam tumpukan. Dimensi sel adalah 60 × 80 [mm × mm]. Area sel aktif yang tersedia untuk reaksi adalah 48 [cm² ]. Sel melakukan penggunaan bahan bakar hingga 75% dan dapat mencapai kepadatan daya tinggi lebih besar dari 1 [W cm ⁻² ]. Tumpukan diatur dalam konfigurasi aliran bersama di mana aliran bahan bakar dan udara berada dalam arah yang sama. Campuran hidrogen dan nitrogen digunakan sebagai bahan bakar dalam sistem.

Detail lebih lanjut tentang penyiapan dapat ditemukan di tempat lain [27, 28].

Berkas Ion Terfokus–Memindai Mikroskop Elektron

Sistem berkas ganda menggabungkan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dan sumber berkas ion galium terfokus (FIB) dalam satu ruang. SEM digunakan untuk pencitraan dan FIB sebagian besar berfungsi untuk penggilingan. Untuk situasi terbatas, FIB dapat digunakan untuk observasi. Sistem memberikan kemungkinan unik untuk bagian selanjutnya dari sampel yang diselidiki. Ukuran sampel material yang biasa dapat ditempatkan pada dudukan adalah 25 mm² . FIB-SEM set-up dan prosedur pengukuran secara skematis disajikan pada Gambar. 3. Arah pistol ion tegak lurus terhadap permukaan sampel, dan pistol elektron dimiringkan pada beberapa sudut sehubungan dengan sumber ion untuk memungkinkan pengamatan bagian sampel. Volume yang menarik dari sampel yang dapat diamati selama satu prosedur adalah sekitar 1000 μ m³ . Berkas ion terfokus digunakan untuk membuat parit dan mengekspos perpotongan sampel yang memenuhi persyaratan untuk ukuran volume representatif minimal. Setelah parit dibuat, simpang dipoles menggunakan energi rendah Ga ⁺ sinar dan gambar diambil menggunakan detektor dalam lensa. Ini menghasilkan kontras yang sangat baik antara fase yang diselidiki:Ni, YSZ, dan pori. Setelah gambar SEM diambil, pabrik senjata FIB untuk mengekspos persimpangan lain, dan lapisan material lain dihilangkan. Prosedur “potong-dan-lihat” diulangi sampai mendapatkan 200-300 gambar tergantung pada volume yang diinginkan. Prosedur ini dikenal sebagai sectioning. Prosedurnya dapat diringkas dalam langkah-langkah berikut:

1
Lapisan karbon disimpan pada volume bunga.

Konfigurasi sistem sinar ganda
2
Sebuah parit dibuat untuk memberikan akses ke persimpangan sampel.
3
Penampang dipoles dengan sinar arus rendah.
4
Gambar SEM dari persimpangan yang diamati diambil menggunakan detektor elektron sekunder dalam lensa.
5
Pistol FIB menggunakan seberkas ion Ga+ untuk digiling ke dalam sampel untuk mengekspos persimpangan lain.
6
Prosedur "potong dan lihat" diulang untuk mendapatkan urutan gambar 2D.

Ide dari prosedur potong-dan-lihat disajikan pada Gambar. 3.

Metodologi Eksperimental

Studi yang disajikan dibagi menjadi dua bagian terpisah:percobaan pembangkit listrik dan studi mikrostruktur. Studi daya tahan dilakukan dengan menjaga tumpukan di bawah beban konstan selama periode yang diperpanjang. Untuk mengurangi durasi pengujian, suhu dinaikkan hingga 800 ^o C dan arus yang dipaksakan adalah 19,4 A untuk menghasilkan daya keluaran 90 W pada awal percobaan. Faktor utilisasi bahan bakar adalah 75%. Kondisi eksperimental rinci dirangkum dalam Tabel 1. Setelah uji penuaan, tumpukan dibongkar dan sembilan sampel dipilih untuk analisis mikrostruktur pasca uji. Tiga sampel diekstraksi dari sel no. 1, 3, dan 5 (terletak di hulu, tengah, dan hilir setiap sel) seperti yang disajikan pada Gambar. 4. Sel tambahan, yang disebut sel referensi, adalah sel baru setelah proses reduksi. Sel disediakan oleh pabrikan dan tidak berpartisipasi dalam tes elektrokimia. Oleh karena itu, masuk akal untuk mengasumsikan bahwa struktur mikro sel referensi mewakili struktur mikro dari sebelum uji penuaan. Semua sampel untuk analisis FIB-SEM berbentuk bujur sangkar 5 mm × 5 mm dan dipotong dari sel (6 cm × 8 cm) menggunakan pena berlian. Sebelum studi mikrostruktur, semua sampel diresapi dengan resin epoksi dan dipoles dengan amplas. Impregnasi penting untuk pengenalan fase pori selama pencitraan SEM. Kesembilan sampel dianalisis menggunakan teknik FIB-SEM.

Lokasi sampel yang dipilih dalam sel dan tumpukan

Kumpulan gambar SEM yang diperoleh untuk setiap sampel menjalani proses segmentasi gambar untuk menetapkan salah satu dari tiga fase ke setiap wilayah gambar SEM. Segmentasi adalah proses pelabelan wilayah citra berdasarkan kecerahannya, yang dilakukan secara semi-otomatis, membutuhkan waktu kerja operator hingga satu bulan per sampel. Setelah berhasil dalam proses segmentasi citra, dilakukan resampling citra (lihat Gambar 5).

Alur kerja pemrosesan gambar dan pelabelan fase. a Sebuah gambar mentah. b Artefak eksperimental yang dihapus secara manual. c Penyaringan. d Pelabelan fase di mana putih mewakili nikel, hitam adalah pori-pori, dan abu-abu menunjukkan YSZ

Simulasi jalan acak, yang diperkenalkan kemudian dalam makalah ini, membutuhkan voxel kubik. Artinya jarak antar gambar harus sama dengan ukuran piksel gambar. Namun, lebih banyak irisan menunjukkan lebih banyak waktu yang dibutuhkan untuk segmentasi yang praktis tidak layak. Dalam praktiknya, jarak antar gambar lebih signifikan daripada ukuran piksel untuk menghemat waktu selama proses segmentasi yang paling memakan waktu. Oleh karena itu, segmentasi dilakukan pada voxel berbentuk kubus dan diubah menjadi voxel kubik selama postprocessing. Berdasarkan gambar resampled, permukaan yang mewakili morfologi tiga dimensi dari setiap fase yang dihasilkan oleh pendekatan segitiga antarmuka antara daerah yang berbeda. Triangulasi dan resampling dilakukan dengan menggunakan software AVIZO oleh ThermoFisher Scientific. Representasi materi digital tiga dimensi yang diperoleh disajikan pada Gambar 6.

Representasi material digital dari mikrostruktur anoda sebelum dan sesudah uji penuaan. a Sampel referensi. b Sel 5 hulu. c Sel 5 tengah d . Sel 5 hilir e Sel 3 hulu. f Pusat sel 3 g . Sel 3 hilir. h Sel 1 hulu. saya Sel 1 pusat. j Sel 1 hilir

Faktor tortuositas adalah ukuran kuantitatif dari kompleksitas struktur mikro. Konsep tortuositas diperkenalkan pada studi media berpori oleh Carman [29] yang mempelajari aliran melalui lapisan pasir. Dia memperkenalkan tortuositas sebagai faktor yang memperhitungkan jalur difusi memanjang cairan di dalam media berpori. Dalam ruang kerjanya, dia berasumsi bahwa lapisan berpori dengan ketebalan L _s dapat dianggap sebagai kumpulan tabung kapiler berliku-liku dengan penampang dan panjang yang seragam L _e . Demikian pula, untuk anoda sel bahan bakar oksida padat, tortuositas dapat didefinisikan sebagai rasio panjang jalur difusi nyata dan ketebalan elektroda. Dalam sistem yang disederhanakan ini, tortuositas didefinisikan sebagai rasio panjang jalur difusi nyata, L _e , ke jalur dalam kasus saluran lurus, L _s (ketebalan anoda):

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

Penting untuk diingat perbedaan antara tortuositas dan faktor tortuositas. Mengingat formulasi Carman, faktor berliku-liku (τ ) didefinisikan sebagai kuadrat dari liku-liku (τ =$\bar {\tau }^{2}$), dan digunakan sebagai faktor peningkatan dalam persamaan difusi massa:

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

dimana ε adalah porositas, D _i adalah koefisien difusi rempah-rempah gas i di dalam campuran gas, dan D _{i ,eff} adalah koefisien difusi efektif dengan mempertimbangkan jalur difusi memanjang dari fluida di dalam media berpori.

Dalam struktur mikro anoda nyata, jalur bahan bakar mungkin sangat rumit dan jalur koneksi gas dapat membuat banyak cabang, terpisah, dan bergabung kembali. Oleh karena itu, menghadirkan faktor tortuositas sebagai kuadrat tortuositas agak simbolis dan hubungan nyata antara tortuositas dan faktor tortuositas tidak dapat dihitung menggunakan model kapiler. Beberapa kelompok mengatasi masalah itu dengan menggunakan apa yang disebut faktor M yang secara eksplisit menggabungkan ke dalam satu fungsi tortuositas geometris, faktor perkolasi (P ), faktor penyempitan (β ), dan fraksi volume fase [30]:

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

dimana a , b , dan c adalah konstanta yang diturunkan dari metodologi yang dijelaskan dalam ref. [31]. Faktor penyempitan diperkenalkan oleh Peterson [32] dapat dipahami sebagai rasio antara terompet dan kemacetan. Sebuah tinjauan komprehensif dari pendekatan yang ada untuk memperkirakan faktor tortuositas dapat ditemukan dalam tinjauan oleh Tjaden, Brett, dan Shearing [33].

Baru-baru ini, algoritma berbasis difusi menerima perhatian yang meningkat karena mereka tidak memerlukan faktor penyempitan. Hal ini karena bottleneck dan tonjolan langsung diperhitungkan selama simulasi proses difusi dan nilai yang diukur adalah pengurangan langsung dari koefisien difusi [34].

Salah satu metode yang paling menjanjikan di sini adalah proses random walk, yang secara statistik dapat menghitung faktor tortuositas untuk partikel yang tidak menyerap. Dalam metode ini, sejumlah besar penanda yang disebut random walker terdistribusi secara stokastik dalam fase pori yang disajikan sebagai volume merah pada Gambar 6. Pada setiap langkah waktu, setiap walker secara acak bermigrasi ke voxel tetangga dari fase yang sama. Jika voxel yang dipilih untuk migrasi termasuk dalam fase yang berbeda, walker tetap pada posisi saat ini dan menunggu langkah waktu berikutnya. Saat mengulangi proses ini, perpindahan kuadrat rata-rata dari pejalan kaki acak dapat dihitung:

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

dimana 𝜗 adalah waktu tak berdimensi dari prosedur jalan acak, dan n adalah jumlah pejalan kaki acak.

Solusi eksak dari perpindahan kuadrat rata-rata untuk lintasan kisi di ruang bebas diberikan oleh [35]:

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

dimana D ₀ adalah koefisien difusi dalam ruang bebas [m² s ⁻¹ ], dan t adalah waktu dalam [s]. Koefisien difusi dari Persamaan. (5) dapat ditulis ulang sebagai fungsi waktu dengan menghitung turunan:

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

Karena 𝜗 adalah fungsi waktu t , Persamaan. (6) mengambil bentuk berikut:

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

Bagian $\frac {\mbox{{d}} \vartheta }{\mbox{{d}}t}$ dapat diturunkan dari bagian Persamaan. (5):

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

memberi

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

dimana a adalah konstanta kisi dari kisi kubik sederhana (yaitu, dimensi voxel FIB-SEM) [nm].

Faktor berliku-liku τ menggambarkan tingkat pengurangan perpindahan kuadrat rata-rata dalam media berpori dibandingkan dengan ruang bebas [34, 36]:

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

Dengan menggabungkan Persamaan. (7) dan (10), seseorang sampai pada rumus berikut:

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

yang setelah lebih lanjut menggabungkan Persamaan. (8) dan (10) menjadi:

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

Ketika fenomena transportasi dianggap hanya dalam satu arah, ekspresi berikut relevan:

$$ {\begin{aligned} \langle x \left(\vartheta \right)^{2} \rangle_{\rm{free}}=\langle y\left(\vartheta \right)^{2} \rangle_ {\rm{free}}=\langle z \left(\vartheta \right)^{2} \rangle_{\rm{free}}=\frac{1}{3}\langle r \left(\vartheta \ kanan)^{2} \rangle_{\rm{free}}=\frac{1}{3} a^{2} \vartheta. \end{selaras}} $$ (13)

Oleh karena itu, untuk estimasi faktor tortuositas anisotropik Persamaan. (12) menjadi:

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

Karena metode ini didasarkan pada statistik, banyak pejalan kaki dan perpindahan kuadrat rata-rata yang besar diperlukan untuk memperkirakan faktor tortuositas dengan benar. Akhirnya, walker akan meninggalkan domain komputasi yang diwakili oleh representasi digital dari mikrostruktur. Ini, tentu saja, tidak diinginkan karena perjalanan tidak dapat dilanjutkan keluar dari domain komputasi. Pencerminan fase digunakan untuk menghindari masalah ini. Ketika walker melintasi batas, ia benar-benar muncul dalam domain baru yang merupakan cerminan dari rekonstruksi mikrostruktur asli. Membuat salinan lengkap dari rekonstruksi digital setiap kali walker melintasi batas terlalu berat untuk memori komputer, dan oleh karena itu, teknik pemrograman khusus diterapkan untuk menghemat sumber daya perangkat keras. Pencerminan fase adalah batasan utama dari metode ini karena tortuositas yang dihitung hanya mencerminkan kompleksitas volume yang diselidiki (bukan seluruh anoda).

Berdasarkan tortuositas anisotropik, kami memperkenalkan faktor anisotropi yang didefinisikan sebagai berikut:

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

dimana τ _x ,τ _y , dan τ _z adalah faktor tortuositas anisotropik di x , y , dan z arah, masing-masing, dan τ _r adalah faktor tortuositas yang dihitung untuk perpindahan total pejalan kaki terlepas dari arah perpindahan terjadi.

Hasil dan Diskusi

Gambar 7 menyajikan tegangan terminal rata-rata tumpukan selama uji penuaan. Seperti dapat dilihat, tidak ada bukti penurunan kinerja. Selain itu, polarisasi menurun selama seribu jam pertama operasi. Hasil kami sebelumnya menunjukkan bahwa meskipun kurangnya penurunan kinerja, permukaan kontak permukaan reaksi menurun secara signifikan [24]. Kami menemukan bahwa peluruhan TPB tidak homogen dan sangat tergantung pada lokasi di tumpukan [24]. Dalam makalah ini, kami menunjukkan bahwa evolusi struktur mikro tidak hanya tidak homogen tetapi juga anisotropik. Kompleksitas anoda diperkirakan berdasarkan faktor tortuositas anisotropik yang diturunkan menggunakan representasi material digital yang disajikan pada Gambar 6.

Tegangan terminal sebagai fungsi waktu operasional selama operasi jangka panjang

Keterangan Dalam percobaan nyata, diameter volume bunga yang diperoleh bervariasi dari satu ke yang lain karena adanya artefak eksperimental. Artefak yang paling umum seperti efek tirai, bayangan, dan redeposisi mungkin membatasi penampang yang dapat diakses. Akibatnya, volume yang dapat dikenali dengan tepat dan disegmentasi berbeda untuk setiap pengukuran. Dalam beberapa kasus, kita bisa mendapatkan lebih dari 10 μ m di z arah; namun, karena tirai mempengaruhi kualitas suara, gambar di y arah menjadi terbatas. Bagi yang lain, gambarnya tajam di y arah, tetapi kami hanya dapat menyelaraskan sejumlah gambar dengan benar. Untuk kuantifikasi, setiap volume sekitar 1000 μ m³ . Namun, hanya demi visualisasi, kami memangkas gambar menjadi satu ukuran umum 10 μ m × 8 μ m × 5 μ m untuk memungkinkan untuk menyandingkan dan membandingkannya pada Gambar 6.

Metodologi estimasi faktor berliku-liku diperkenalkan secara singkat di bagian "Metodologi Eksperimental." Gambar 8 menunjukkan faktor anisotropi untuk lokasi yang berbeda dalam sel dan tumpukan. Perbandingan dengan sampel referensi juga disajikan. Tren umum yang diamati dalam hasil membawa kami pada kesimpulan berikut:

Bahan anoda referensi memiliki sifat isotropik yang berkembang menjadi anisotropi kuat selama uji penuaan.

Faktor anisotropi di lokasi yang berbeda di tumpukan dan di sel, di mana UP, CE, dan DW masing-masing merujuk ke hulu, tengah, dan hilir sel dan akronim REF sesuai dengan sel referensi
Kecenderungan umum adalah bahwa faktor anisotropi meningkat saat bergerak ke hilir sel.
Anisotropi kuat diamati hanya untuk fase nikel dan pori. Zirkonium yang distabilkan dengan itrium tetap isotropik.

Kemungkinan penyebab anisotropi adalah partikel nikel yang menjadi kasar [37-39] dan migrasi yang diamati dalam penelitian kami sebelumnya [23, 24, 40] serta oleh kelompok penelitian lain [18, 41]. Selama operasi jangka panjang, partikel nikel bermigrasi dari antarmuka elektrolit anoda menuju permukaan anoda. Karena migrasi terjadi terutama dalam satu arah, itu mengarah ke anisotropi struktur mikro. Itu juga akan menjelaskan mengapa anisotropi hanya mempengaruhi fase nikel dan pori. Mekanisme rinci tidak jelas tetapi kemungkinan penyebab migrasi partikel nikel dari antarmuka anoda-elektrolit menuju permukaan anoda adalah penguapan-deposisi dari spesies nikel yang mudah menguap seperti nikel hidroksida. Ini akan menimbulkan ketidakhomogenan dan jalur konduksi elektronik yang terputus-putus dari nikel [42].

Sebagian besar model difusi gas yang digunakan dalam simulasi SOFC saat ini mengasumsikan elektroda berpori yang homogen. Ini akurat untuk sebagian besar aplikasi, tetapi hasil kami menunjukkan asumsi homogen ini mungkin tidak berlaku setelah degradasi. Implikasi langsung dari pengamatan yang disajikan dalam artikel ini adalah bahwa ketika seseorang ingin menerapkan parameter struktur mikro dari sampel tua ke dalam simulasi numerik, penting untuk mengingat arah fenomena transportasi yang dipertimbangkan dalam model. Akibatnya, sifat anisotropik yang tepat dari parameter struktur mikro harus diekstraksi (jika anisotropi terdeteksi). Berdasarkan hasil yang diperoleh, dapat disimpulkan bahwa anisotropi sangat penting ketika difusi sedang dipertimbangkan karena faktor tortuositas menyatakan secara kuantitatif laju pengurangan koefisien difusi. Perhatikan arah anisotropik sambil menyandingkan parameter mikrostruktur anoda yang berbeda yang diambil setelah operasi jangka panjang adalah saran praktis lainnya untuk pengamatan yang disajikan.

Kesimpulan Umum

Dalam makalah ini, kami menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa operasi jangka panjang SOFC dapat menyebabkan anisotropi struktur mikro di anoda. Eksperimen pembangkit listrik diperpanjang dilakukan dengan menggunakan tumpukan pendek. Analisis struktur mikro yang diselesaikan secara lokal dilakukan sebelum dan sesudah uji penuaan menggunakan nanotomografi FIB-SEM. Rekonstruksi 3D yang diperoleh dari mikrostruktur anoda diimplementasikan ke dalam algoritma berbasis difusi untuk menghitung faktor tortuositas anisotropik. Hasilnya menunjukkan bahwa operasi jangka panjang menghasilkan anisotropi yang kuat pada fase nikel dan pori dari anoda yang diselidiki. Kemungkinan penyebab sifat anisotropik anoda setelah uji penuaan adalah migrasi, pertumbuhan, dan pengerasan partikel nikel.

Ketersediaan Data dan Materi

Data mentah dan proses yang diperlukan untuk mereproduksi temuan tersebut tidak dapat dibagikan saat ini karena data merupakan bagian dari studi yang sedang berlangsung.

Singkatan

CPOX:: Oksidasi parsial katalitik
FIB:: Sinar ion terfokus
MSTB:: Bangku Uji Tumpukan Modular
SEM:: Pemindaian mikroskop elektron
SOFC:: Sel bahan bakar oksida padat
TPB:: Batas fase tiga
YSZ:: Zirkonia stabil Yttria

3A-Amino-3A-Deoxy-(2AS, 3AS)-β-Cyclodextrin Hydrate/Tin Disulfide Modified Screen-Printed Carbon Electrode untuk Elektrokimia Deteksi Bifenil Poliklorinasi Perangkat Sinaptik ReS2 Charge Trapping untuk Aplikasi Pengenalan Wajah

bahan nano