香港理工大学倪萌教授， Chemical Reviews综述：从大型系统-精细电极对固体氧化物燃料电池模拟工作进行回顾

第一作者：吴震 朱鹏飞

通讯作者：倪萌*

单位：西安交通大学，香港理工大学

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SOFC即固体氧化物燃料电池，作为一种高效、清洁的能源转换技术，具有高效率、低排放、燃料选择广泛等优势，是分布式发电和热电联供系统的理想选择。然而，SOFC的性能和耐久性受到系统配置、堆栈结构、电极微观结构等多方面因素的影响。传统的实验研究方法成本高、耗时长，而数值模拟则能够快速、高效、经济地优化SOFC及其系统。在过去的20年里，固体氧化物燃料电池（SOFC）数值模拟领域经历了快速增长，并发表了大量相关研究。尽管以往的综述论文已对SOFC建模工作进行了总结和回顾，但关于问题导向的SOFC建模的综述却鲜有发表。而且，以往综述文献也未涵盖近年来SOFC模拟研究最新发表的内容。其次，以往的综述论文也未对近年来快速发展的SOFC新型模拟方法进行系统性介绍，如相场法，近场动力学等新兴模型。

以往缺乏问题导向的文献综述削弱了其在实际SOFC开发中的实用性。从SOFC开发的角度来看，SOFC电极/电池/系统尺度面临不同的挑战。要实现稳定高效的SOFC发电系统，需要解决所有尺度上的问题。因此，本综述将SOFC模型分为三个尺度，分别是系统模型、电堆/池模型以及电极模型，并以"top-down"的逻辑结构总结了每个尺度上的研究。不同尺度上进行的SOFC模拟研究是相互关联、相互补充、共同推动SOFC技术进步的。

来自西安交通大学的吴震教授与香港理工大学的倪萌教授合作，在国际知名期刊Chemical Reviews上发表题为“A Comprehensive Review of Modeling of Solid Oxide Fuel Cells: From Large Systems to Fine Electrodes”的综述文章。该综述文章采用自上而下的方法，从系统、堆栈、单电池到电极的尺度，全面总结了SOFC模拟研究的最新进展。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是固体氧化物燃料电池系统中的关键发电设备。因此，SOFC的建模与分析直接影响整个系统的性能模拟。此外，作为一种新型的发电技术，SOFC的工作过程十分复杂，相应的模型也不统一。目前，SOFC系统尺度模型可以分为集总参数模型（黑箱模型）和参数分布模型两种。黑箱模型主要用于系统级的热力学模拟，有助于评估系统的热力学性能，从而全面探索系统的进一步发展潜力。而且，SOFC黑箱模型很容易与更多的组件和热力循环模型耦合，来实现SOFC综合能源系统性能的模拟和评估。尽管黑箱模型的简洁性使其便于模拟大型热力学系统，但它们并未考虑SOFC的内部工作机制，且其验证主要依赖于考察明显的电流-电压（I−V）曲线。参数分布模型可以提供更详细的信息，并获得更准确的模拟结果，但是参数分布模型的构建复杂性和求解难度却远高于黑箱模型。参数分布模型主要用于捕获电池内部的重要参数分布，如温度、物种浓度等，以便在系统尺度优化SOFC稳态发电性能，确定实现长期稳定运行的操作条件，并开发动态模型或控制策略。

与电堆/池多物理场模型相比，介观尺度模型能够获取更精细和丰富的信息。这也是介观尺度模型的目的所在，用于解决电堆/池模型难以处理的问题。不可避免的是，介观尺度模型的缺点也很明显，包括模型构建更困难、求解更复杂。而且，每个介观尺度模型的开发都需要突破相应的技术难题。例如，只有准确构建多个基元反应动力学并合理描述多个表面和本体物种的质量传递过程，才能建立基元反应模型。由于基元反应动力学涉及许多表面和本体物种，模型中需要求解的变量数量大大增加。为了成功使用有限元法（FEM）或有限体积法（FVM）求解电极异质模型，必须精确识别各个相及其界面，同时还要确保电极结构的网格划分合理。总之，介观尺度模型可以描述或解决固体氧化物燃料电池在介尺度上遇到的问题，如反应路径探索、电极结构优化等。这些独特的应用凸显了介尺度模型在未来SOFC精细研究中的重要地位。然而，介尺度模型也面临着巨大挑战：即介观尺度模型难以构建和求解，需要深厚的建模经验和跨学科知识。

随着数值模拟技术的不断发展，多种新型模拟方法已被应用于SOFC建模过程中，以解决难以通过传统方法解决的问题。这些新兴模拟技术能够有效地捕捉SOFC电极的退化特性或力学性能。在这些先进技术中，相场模型（PFM）和近场动力学方法的应用最为突出。相场模型主要应用于捕捉研究SOFC运行或退化过程中电极介观结构的演化。通过获取电极介观结构，提取关键介观参数并模拟电化学性能，实现电极性能退化的预测。近场动力学方法主要用于解决电极介观结构中裂纹产生、扩展和扩散相关的力学问题。这些问题使用传统的多物理场模型难以解决，甚至无法解决。因此，新型模型的开发为相结构演变、介观电极结构相关力学问题提供了全新方法。

数值模拟在研究固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作机理探索以及指导其设计和运行方面发挥着至关重要的作用。为此，研究人员已经开发了众多模型来解决与SOFC制造和运行相关的各种挑战。SOFC本质上是复杂的电化学能量转换装置，其尺度范围从电极材料到多孔电极，再到单体电池/电堆，乃至整个系统。SOFC制造运行的复杂性导致在不同尺度上存在着各种挑战。因此，全面理解和解决特定尺度上的挑战对于实现SOFC高效稳定的发电至关重要。本文从上至下对从大型系统到精细电极的SOFC模型进行了详细综述。这种论述逻辑有助于优化电极结构，以实现系统高效和耐久性的目标。此外，从上至下的方法也遵循由简单到复杂的顺序。这种由简单到复杂的深入浅出论述过程则更有利于相关研究人员理解SOFC多尺度的建模研究。

A Comprehensive Review of Modeling of Solid Oxide Fuel Cells: From Large Systems to Fine Electrodes

西安交通大学吴震教授课题组长期接受工程热物理、化学工程、机械工程、控制工程等专业的硕士研究生，博士研究生推免及报考申请。相关研究方向包括：高低温燃料电池、氢化物固态储氢、水解产氢、氢能源动力系统集成等，欢迎感兴趣同学咨询了解。