[논문 리뷰] Ni coarsening in the three-phase solid oxide fuel cell anode - a phase-field simulation study

Hsun‐Yi Chen, Hui-Chia Yu외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 07.

Solidification and crystal growth phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 실험적으로 확보한 初기 미세구조를 사용하여 삼상 고체 산화물 연료전지(소프) 애노드에서 니켈의 응집을 예측하는 단계장 모델을 개발한다. 모델은 상 클러스터의 크기가 클수록 응집 속도가 느려지고, 이로 인해 운반성능에 미치는 영향은 최소화되며, 활성 니켈 표면적은 다소 감소할 뿐이지만, 삼상계면(TPB)의 진화는 국소적 형태에 매우 민감하고 니켈 동역학과는 약한 상관관계를 보임을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Ni coarsening in Ni-yttria stabilized zirconia (YSZ) solid oxide fuel cell anodes is considered a major reason for anode degradation. We present a predictive, quantative modeling framework based on the phase-field approach to systematically examine coarsening kinetics in such anodes. The initial structures for simulations are experimentally acquired functional layers of anodes. Sample size effects and error analysis of contact angles are examined. Three phase boundary (TPB) lengths and Ni surface areas are quantatively identified on the basis of the active, dead-end, and isolated phase clusters throughout coarsening. Tortuosity evolution of the pores is also investigated. We find that phase clusters with larger characteristic length evolve slower than those with smaller length scales. As a result, coarsening has small positive effects on transport, and impacts less on the active Ni surface area than the total counter part. TPBs, however, are found to be sensitive to local morphological features and are only indirectly correlated to the evolution kinetics of the Ni phase.

연구 동기 및 목표

• 니켈-이트리아스티리드(YSZ) 고체 산화물 연료전지(SOFC) 애노드에서 니켈 응집을 위한 예측 가능하고 정량적인 단계장 모델링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 실험적으로 확보한 3차원 미세구조를 초기 조건으로 사용하여 응집 동역학을 조사하기 위해.
• 응집 과정 중 삼상계면(TPB) 길이, 니켈 표면적, 기공 비틀림도의 진화를 정량화하기 위해.
• 모델 프레임워크 내 샘플 크기 영향과 접촉역학 오차를 분석하기 위해.
• 미세구조의 진화가 전기화학적 성능, 특히 TPB에 의존하는 저항에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 표면장력과 겔츠-톰슨 효과에 의해 유도되는 미세구조 진화를 시뮬레이션하기 위해 단계장 방법을 사용한다.
• 상분리와 응집을 모델링하기 위해 자유 에너지 함수를 포함한 케인-힐리아드 형식의 확산 방정식을 적용한다.
• 실제 SOFC 애노드에서 실험적으로 측정한 초기 미세구조를 사용하여 현실적인 시뮬레이션을 수행한다.
• 단계장 방정식에서 표면의 법선 속도를 유도하기 위해 다중 척도 점근적 분석(M.C.S.)을 적용한다.
• 겔츠-톰슨 효과를 모델링하기 위해 곡률에 의존하는 화학적 포텐셜 항을 도입하며, 이동도 및 계면 에너지 파rameter는 열역학적 데이터에서 유도된다.
• 접촉각 오차 분석을 수행하고 샘플 크기 영향을 평가하여 시뮬레이션의 견고성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 니켈 상 클러스터의 특성 길이 척도가 SOFC 애노드에서 응집 동역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 니켈 응집은 삼상계면(TPB) 길이와 활성 니켈 표면적에 어떤 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 기공 비틀림도는 응집 과정 중 어떻게 변화하며, 이는 이온 및 전자 운반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 국소적 형태적 특징은 TPB 진화에 어떻게 영향을 미치며, TPB 진화는 니켈 상 응집 동역학과 직접적인 상관관계가 있는가?
• RQ5 단계장 프레임워크에서 표면 속도와 국소 곡률 간의 정량적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 특성 길이가 큰 상 클러스터는 길이 척도가 작은 것보다 응집 속도가 더 느리게 진행된다.
• 응집은 비틀림도 감소로 인해 이온 운반에 약간의 긍정적 영향을 미치지만, 총 니켈 표면적에 비해 활성 니켈 표면적 감소는 다소 미미하다.
• 삼상계면(TPB) 길이의 진화는 국소적 미세구조적 특징에 매우 민감하며, 니켈 응집 동역학과는 간접적인 상관관계를 보인다.
• 모델은 시간이 지남에 따라 니켈 입자 크기가 증가함을 예측하며, 이는 1000 °C에서 4000시간 경과 후 약 26%의 평균 증가와 실험 관측 결과와 일치한다.
• 단계장 모델은 곡률에 의해 유도되는 응집의 본질을 성공적으로 캐릭터라이즈하며, 표면 속도는 곡률의 이阶도 도함수에 비례한다.
• 정량적 분석 결과, 모델 내 효과적 이동도는 표면 전체에 걸친 이동도 함수의 적분에 비례하며, 차원 없는 형태로는 I = M̄_s / 6 및 J = 1/6로 표현되며, 이에 따라 V_n ∝ ∂²κ_c/∂s² 가 성립한다.