[论文解读] Ni coarsening in the three-phase solid oxide fuel cell anode - a phase-field simulation study

Hsun‐Yi Chen, Hui-Chia Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2012

Solidification and crystal growth phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究基于实验获得的初始微观结构，开发了一种预测性相场模型，用于模拟三相固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极中镍的粗化行为。模型表明，随着相簇尺寸增大，粗化速率减缓，对传输性能的负面影响极小，且活性镍表面积仅出现中等程度的减少；而三相界面（TPB）的演化对局部形貌高度敏感，与镍动力学的相关性较弱。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于镍-氧化钇稳定氧化锆（YSZ）SOFC阳极中镍粗化的预测性、定量相场建模框架。
• 利用实验获取的三维微观结构作为初始条件，研究粗化动力学。
• 量化粗化过程中三相边界（TPB）长度、镍表面积及孔隙曲折度的演化。
• 分析模拟框架中的样本尺寸效应和接触角误差。
• 评估微观结构演化对电化学性能的影响，特别是对TPB依赖性电阻的影响。

提出的方法

• 采用相场方法模拟由毛细作用力和吉布斯-汤姆森效应驱动的微观结构演化。
• 采用Cahn-Hilliard型扩散方程与自由能泛函，模拟相分离与粗化过程。
• 将功能型SOFC阳极中实验测量的初始微观结构作为输入，实现更真实的模拟。
• 应用多尺度渐近分析（M.C.S.），从相场方程推导界面的法向速度。
• 通过曲率依赖的化学势项建模吉布斯-汤姆森效应，迁移率与界面能参数基于热力学数据确定。
• 对接触角进行误差分析，并评估样本尺寸效应，以确保模拟的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 镍相簇的特征长度尺度在多大程度上影响SOFC阳极中的粗化动力学？
• RQ2 镍粗化在多大程度上影响三相边界（TPB）长度和活性镍表面积？
• RQ3 粗化过程中孔隙曲折度如何演化，其对离子与电子传输有何影响？
• RQ4 局部形貌特征如何影响TPB演化？TPB演化是否与镍相粗化动力学直接相关？
• RQ5 在相场框架中，界面速度与局部曲率之间存在何种定量关系？

主要发现

• 具有较大特征长度的相簇比小尺度相簇粗化更缓慢。
• 由于曲折度降低，粗化对离子传输具有轻微的正面影响，但对活性镍表面积的影响不如对总镍表面积显著。
• 三相边界（TPB）长度的演化对局部微观结构特征高度敏感，且与镍粗化动力学仅有间接相关性。
• 模型预测镍颗粒尺寸随时间增大，与实验观察一致——在1000 °C下经4000小时后平均增大约26%。
• 相场模型成功捕捉了粗化过程的曲率驱动本质，界面速度与曲率的二阶导数成正比。
• 定量分析表明，模型中的有效迁移率与迁移率函数在界面上的积分成正比，无量纲形式下I = M̄_s / 6 且 J = 1/6，从而得出V_n ∝ ∂²κ_c/∂s²。