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3D microstructures of solid oxide fuel cell Ni-YSZ anodes with carbon deposition

材料科学 固体氧化物燃料电池 微观结构 阳极 碳纤维 扫描电子显微镜 氧化物 聚焦离子束 化学工程 金属陶瓷 复合材料 冶金 电极 陶瓷 复合数 化学 工程类 离子 物理化学 有机化学
作者
Anna Ściążko,Yosuke Komatsu,A. Nakamura,Zhufeng Ouyang,Toru Hara,Naoki Shikazono
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:460: 141680-141680 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.141680
摘要

Carbon deposition is a critical problem for operating solid oxide fuel cells (SOFCs) with carbon containing fuels such as natural gas, biogas, etc. When steam to carbon ratio is below the critical threshold, carbon may form on the surface of nickel (Ni) catalyst. Carbon covers the active triple boundaries and deteriorates the electrochemical performance. In most severe cases, carbon may even lead to an irreversible deformation of a porous cermet. However, quantitative investigations of carbon deposition have been limited due to the difficulties in observing the microstructures. In the present study, the 3D structures of carbon deposition in the SOFC electrode are quantitatively reconstructed for the first time by a machine learning assisted image processing framework. Focused ion beam - scanning electron microscope (FIB-SEM) measurements of anode samples are conducted without resin infiltration. A U-net neural network with multiple inputs is developed to identify the unfilled pores, from which phase segmentations of raw SEM images without resin filling became possible. The mild and severe carbon deposition conditions are tested by exposing the electrodes to humidified and dry methane conditions. It is revealed from the 3D reconstruction that carbon layer formed over Ni particles and Ni pulverizes due to high temperature corrosion (metal dusting). At the same time, YSZ network deformed by the internal stress. The observed microstructural changes are in good agreement with the performance recovery after the regeneration process. The developed microstructure evaluation framework will enable quantitative investigations of carbon deposition and developments of mitigation strategies for SOFC anodes.
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