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燃料電池測試技術熱門新看點(圖文)

2026-04-11 09:34:357578

測ce量liang一yi個ge燃ran料liao電dian池chi的de整zheng體ti性xing能neng相xiang對dui比bi較jiao容rong易yi，但dan是shi測ce量liang在zai燃ran料liao電dian池chi運yun行xing時shi個ge別bie組zu件jian的de性xing能neng卻que極ji具ju挑tiao戰zhan性xing。這zhe是shi因yin為wei當dang電dian化hua學xue設she備bei在zai運yun行xing時shi，研yan究jiu它ta的de各ge個ge部bu件jian性xing能neng的de最zui佳jia實shi驗yan技ji術shu是shiX射線光電子能譜學(XPS)。傳統的XPS隻能在真空中工作，而燃料電池需要氣體在高壓下才能運行。現在，一支來自於美國馬裏蘭大學、美國能源部下屬的桑迪亞國家實驗室和美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室組成的科學家團隊使用一種稱為環境壓力X射線光電子能譜學(APXPS)的新型XPS技術，能夠觀察固體氧化物電化學電池工作時的所有功能特征。電池測試是一塊單電池在高達750攝氏度（1382華氏度）高溫下和氫氣和水蒸氣壓力為一個毫巴（約千分之一大氣壓）運行下進行的。研究人員在2010年11月的《Nature Materials》公布了他們的研究成果。在固體燃料電池(SOC)，電子循環開始於陰極，通過加入自由電子電離氧（通常氧來自於空氣）。然後這些氧離子流經固體氧化物電解質，在這一過程需要高溫維持氧離子穿過電解質的良好的傳導性。

氧離子穿過電解質到達陰極，氧化燃料（燃料一般為純氫或者碳氫化合物）。在(zai)設(she)備(bei)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)氧(yang)化(hua)釋(shi)放(fang)的(de)自(zi)由(you)電(dian)子(zi)形(xing)成(cheng)電(dian)流(liu)，最(zui)後(hou)到(dao)達(da)陰(yin)極(ji)。未(wei)使(shi)用(yong)的(de)燃(ran)料(liao)和(he)其(qi)他(ta)化(hua)合(he)物(wu)，以(yi)及(ji)由(you)氫(qing)離(li)子(zi)和(he)氧(yang)離(li)子(zi)形(xing)成(cheng)的(de)水(shui)最(zui)後(hou)排(pai)出(chu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)。

研發人員與APXPS探測器

使用靜電透鏡，APXPS探測器收集由於X射線的作用而從樣品表麵發射的光電子。在局部測量化學狀態（綠色圓圈）和電勢（紅色方塊）。在電極（綠色）與電解質（藍色）重疊的位置測量到的活性最高。在一個為燃料電池運行所必須氣體壓力的密閉的空間裏，APXPS係統發生出Xshexianzhaoshedaoyangpinshang。ranhouyangpinfachudedianzishuchuanguomishichouzhiyalijiaodidedifang，zuihoujinruyougaozhenkongshidetanceqi。yinweidianzidechuanboguiji，zaimeiyigejieduandouhuishiquyibufenfashechudedianzi，zaizheyiguochengyiliuxiadedianzixinhaoyinweitairuoerbuhuiduijieguochanshengyingxiang。yinci，bokelishiyanshideyanjiurenyuanyanfade“透鏡”係統—不是由玻璃製成而是由電場製成—為了防止過度流失捕獲和重新調整各階段的發射電子。

如圖所示，在一個基本的固體氧化物燃料電池，在陰極一側氧氣被氧化電離釋放出自由電子，氧離子穿過電解質到達陽極一側。在APXPS實驗中的電池模型，所有的部件在電解質的同一側，從而可以被X射線照射到。在APXPS實shi驗yan中zhong，美mei國guo馬ma裏li蘭lan大da學xue的de合he作zuo者zhe設she計ji了le一yi個ge長chang度du小xiao於yu兩liang毫hao米mi的de微wei型xing結jie構gou，這zhe個ge結jie構gou裏li包bao括kuo了le固gu體ti燃ran料liao電dian池chi所suo有you必bi須xu額e元yuan素su。除chu了le電dian解jie質zhi之zhi外wai，其qi他ta組zu件jian的de厚hou度du都dou在zai30納米（十億分之一米）到300納米之間的厚度。馬裏蘭州的艾希霍恩大學說：“我們設計和製作固體氧化物電化學電池對所有的組件都提供精確的尺寸控製，同時提供這個電池從陽極到陰極所有的光纖接入口。” 與yu一yi個ge真zhen正zheng的de燃ran料liao電dian池chi堆dui疊die所suo有you的de部bu件jian不bu同tong，樣yang品pin的de所suo有you部bu件jian的de布bu置zhi在zai一yi個ge平ping麵mian上shang，即ji所suo有you的de部bu件jian在zai電dian解jie質zhi的de同tong一yi側ce，從cong而er所suo有you的de部bu件jian可ke以yi被beiX射線照射到。這使得可以直接測量在電池運行時的局部化學狀態、表麵和界麵的電化學狀態。當(dang)光(guang)從(cong)一(yi)種(zhong)材(cai)料(liao)中(zhong)激(ji)發(fa)出(chu)電(dian)子(zi)就(jiu)發(fa)生(sheng)了(le)光(guang)電(dian)效(xiao)應(ying)。通(tong)過(guo)收(shou)集(ji)和(he)分(fen)析(xi)其(qi)發(fa)射(she)電(dian)子(zi)的(de)能(neng)量(liang)和(he)軌(gui)跡(ji)，光(guang)電(dian)子(zi)能(neng)譜(pu)準(zhun)確(que)地(di)建(jian)立(li)這(zhe)種(zhong)組(zu)成(cheng)這(zhe)種(zhong)材(cai)料(liao)的(de)元(yuan)素(su)以(yi)及(ji)在(zai)一(yi)塊(kuai)狹(xia)小(xiao)的(de)區(qu)域(yu)裏(li)這(zhe)些(xie)元(yuan)素(su)的(de)化(hua)學(xue)狀(zhuang)態(tai)和(he)電(dian)子(zi)狀(zhuang)態(tai)。在(zai)所(suo)有(you)的(de)光(guang)源(yuan)中(zhong)，使(shi)用(yong)強(qiang)烈(lie)的(de)X射線就可以幫助發現在材料表麵或者表麵附近發生了什麼：隻有光電子可以從表麵附近的原子中逃脫出來。