哈尔滨工业大学（深圳）焦震钧教授EES：基于 3D 微观结构重建的固体氧化物燃料电池多物理耦合异质单电池数值模型- 大数跨境

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哈尔滨工业大学（深圳）焦震钧教授EES：基于 3D 微观结构重建的固体氧化物燃料电池多物理耦合异质单电池数值模型

科学材料站

2022-04-18

导读：论文中详细介绍了一种基于SOFC微观结构三维重构技术的多物理耦合异质单电池数值模型。

文章信息

基于 3D 微观结构重建的固体氧化物燃料电池多物理耦合异质单电池数值模型

第一作者：苏云鹏

通讯作者：焦震钧*

单位：哈尔滨工业大学（深圳）

研究背景

作为一种未来分布式发电的备选技术，固体氧化物燃料电池（SOFC）相关的研究已进行了几十年。由于较高的运行环境温度，将电池性能与实际电池微观结构进行关联成为一项非常具有挑战性的工作。现阶段还没有基于真实电池三维微观结构建立的可扩展多物理场耦合数值模型被用于帮助我们全面和深入地探索特定单电池微观结构与电化学特性的关联的研究工作见于报道。因此，通过建立完整的单电池数值模型并将其用来量化不同运行条件下电池电化学性能与真实微观结构之间的关联性具有非常重要的意义。

在本研究工作中，我们基于聚焦离子束扫描电子显微镜 (FIB-SEM) 双束技术对SOFC进行了单电池三维重构，并建立了一种新颖的多物理耦合异质SOFC单电池数值模型，以定量模拟特定运行条件下、特定 SOFC 的电化学性能。通过与实验数据对比，我们完成了对数值模型可靠性的的验证，并在此基础上准确预测了SOFC在长期运行过程中由阳极微结构演化造成的的电池性能衰减机制。

该模型可用于对SOFC长期运行过程中性能衰减的机理进行定量可视化研究；为灵活地嵌入其他物理场提供了友好的框架；在此基础上可为进一步的跨尺度模型分析提供更精确的微观参数信息并可同时作为通用平台服务与SOFC电极微观结构的优化。

文章简介

本文中，来自哈尔滨工业大学（深圳）的焦震钧教授在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Anovel multi-physics coupled heterogeneous single-cell numerical model for solid oxide fuel cell based on 3D microstructure reconstructions”的论文。

论文中详细介绍了一种基于SOFC微观结构三维重构技术的多物理耦合异质单电池数值模型。该工作首先基于聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)技术对SOFC单电池各部分的微结构进行了精确的三维重构。基于三维重构数据，通过相关代码进行了数据转换，三维自适应网格生成，特征识别以及方程分配求解，从而用批处理形式实现了建模全程的自动化。

基于现有模型，实现了与实验数据吻合良好的各种工况下模型预测的电流-电压（I-V）曲线和电化学阻抗谱（EIS）。最后，该模型被应用于对运行了 7000 小时电池阳极功能层 (AFL) 微结构演化在 SOFC 性能衰减中所起作用的定量化研究中。

图1. 基于 3D 微观结构重构的固体氧化物燃料电池多物理耦合异质单电池的数值模型搭建流程图

本文要点

要点一：单电池厚度尺度阳极支撑层(ASL)处理

图 2 (a) 异质结构单电池的多相域网格，(b) 几何模型细节描述，和 (c) 单电池中阳极和阴极的TPBs分布

模拟单电池厚度代表性单元的主要挑战是：I) ASL 的实际厚度太大，无法使用 FIB-SEM 技术高精度地重构整个微观结构；II) 即使使用常见的镜像对称等方法扩展微观结构尺度也无法表征整个 ASL 厚度上的微观结构，且计算成本太高而难以实现。

在这项工作中，ASL 靠近阳极功能层（AFL）的十数微米部分除外，其余部分被视为厚度为 192μm 的均匀域，其中相应的相体积分数、特定三相界面（TPB）密度和各相曲折因子等重要微观结构参数通过从非均匀ASL域中提取。因此，单电池的动态数值计算可以通过结合异构模型和均质模型来实现。

要点二：实现动态数值计算

图 3 单电池运行7000 小时后阳极AFL 微结构演化在单电池性能衰减中所起作用的定量化研究

为了打破传统单电池稳态数值模拟的限制，在工作我们引入了离子、电子和气体扩散方程中的时间项，以实现全电池模型的动态模拟，特别是电化学阻抗谱（EIS）。

相比与传统分低维均值模型，动态异质结构数值模型预测EIS需要更少的可调参数，从而能够更加精确的分析单电池瞬态电化学特性。与实验结果的相互映证在说明了该动态数值模型能够更加真实地在不同时间维度上预测单电池电化学特性。

要点三：全自动化模拟的实现

整个数值模型内嵌于一个MATLAB主函数下，通过自定义程序完成了2D灰度分区图片流到三维数字三维重构的数据转换。通过调用开源ISO2MESH工具箱对全电池各部分的3D重构进行进一步的自适应网格划分，特征和边界识别以及完成对控制方程分配求解和批量后处理等环节。总体上实现了建模流程自动化，以避免手动操作导致的易错性，并同时也极大地降低了模拟的时间成本。

要点四：前瞻

在未来研究中，可基于对现有模型的改进进行类似重整混合气为燃料的模拟研究。通过耦合传热和固体力学等模块以实现更加通用的动态异质单电池性能的数值模型。同时，可开发基于该模型的可扩展软件平台，以用于对其他在极端条件下运行的电化学装置的研究中。

文章链接

A novel multi-physics coupled heterogeneous single-cell numerical model for solid oxide fuel cell based on 3D microstructure reconstructions

https://doi.org/10.1039/D2EE00485B

通讯作者简介

焦震钧教授

现为哈尔滨工业大学(深圳)理学院教授，博士研究生导师。焦教授于2009年获得新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程博士学位，师从国际著名微流体专家阮南忠教授进行微尺度液体驱动方面的研究。随后在日本东京大学工作期间从事固体氧化物燃料电池方向的研究并担任助理教授。日本固体氧化物燃料电池(SOFC)协会会员。在包括Acta Materilia, Journal of Power Sources 和 Journal of The Electrochemical Society 等国际知名学术期刊上发表学术论文近60篇，曾作为杰出外国研究者被日本电视台TBS单独采访报道。长期担任包括Journal of Power Sources， Solid State Ionics，International Journal of Hydrogen Energy 等国际学术期刊审稿专家。

研究方向以微纳米力学为核心，涉及电化学、传热传质、微流体、数值模拟计算等领域，主攻对固体氧化物燃料电池／电解池电极微纳米结构的研究，取得了一系列创新性研究成果。其中代表性研究为基于聚焦离子束/扫描电子显微镜双束三维微结构重构技术(FIB-SEM)的实验以及数值模拟技术。首次提出利用激光辅助光学显微镜对SOFC高温电化学反应过程中金属镍的结构演化进行微纳米尺度的实时原位观察技术。

第一作者介绍

苏云鹏，目前就读于哈尔滨工业大学(深圳)理学院力学专业，师从焦震钧教授，研究方向为固体氧化物燃料电池多物理场耦合及跨尺度探究。

课题组介绍

氢能与燃料电池研究院

课题组招聘

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联系方式：

email: jiaozhenjun@hit.edu.cn焦震钧