第一作者：Yunpeng Su
通讯作者：焦震钧
论文DOI：https://doi.org/10.1039/D2EE00485B
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数值建模，作为最流行的工具之一，对理解固体氧化物燃料电池 (SOFC) 在高温下运行期间的多物理场相互作用方面发挥着独特的作用。不幸的是，尚未报道与实际大小相符的动态异相单电池模型来预测电池性能。在这项工作中，基于使用聚焦离子束扫描电子显微镜 (FIB-SEM) 技术对所有 SOFC 组件进行 3D 重建，提出了一种三维 (3D)、多物理场耦合的动态异质单电池模型。仿真是基于 COMSOL 中的四面体网格与用于自动特征识别、方程分配和求解的自定义代码协调进行的。模型预测的电流-电压曲线和电化学阻抗谱（EIS）与实验数据吻合较好。系统分析了不同条件下影响偏振特性的因素。然后将该模型应用于量化运行 7000 小时后阳极功能层 (AFL) 中，证明了是Ni相粗化和团聚引起的 SOFC 性能下降。所提出的单电池模型非常灵活，可以与其他领域叠加，并结合多尺度模拟的输入，这为未来 SOFC 优化以提高整体电化学性能提供了潜在平台。
背景介绍
作为一种高效的能量转换装置，固体氧化物燃料电池（SOFC）可以将储存在燃料中的化学能直接转化为电能。该技术因其高效率、燃料来源多样和高的能量转换率，而成为学术界和工业界的研究热点。现阶段，商用SOFC通常由以下几部分组成：多孔氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) / Ni 阳极、具有掺杂二氧化铈 (GDC) 阻挡层和多孔镧锶钴铁氧体 (LSCF) 的 YSZ 电解质。制造 GDC 阻挡层是为了防止在阴极/电解质界面的长期工作期间形成绝缘的 La2Zr2O7或 SrZrO3 层。电极的微观结构对SOFC 的物理化学性质和稳定性有显著影响。为了确定影响 SOFC 性能的关键参数，许多研究人员在实验研究中付出了巨大的努力。然而，由于工作条件苛刻，很难详细获得综合性能的决定参数。考虑到实验挑战，数值模拟有望成为提供有用洞察信息的唯一途径，将电池微观结构与相应的电化学性能联系起来，而这些信息在实验中是无法获得的。
尽管对SOFCs的3D异质数值模拟已有大量研究，但大部分研究都集中在稳态半电池异质模型上，而对单电池异质模型的研究非常有限。事实上，目前提出的大多数异构模型在预测真实 SOFC 的性能方面都存在缺陷。在总厚度为数百微米的阳极支撑 SOFC 的实际尺寸中，考虑真正的异质微结构，构建异质模型是一项巨大的挑战。为了克服上述挑战，基于真实 3D 微观结构重建的 3D 多物理场耦合异构动力学模型是有意义的。
图文解析
图 1. SOFC工作原理示意图。
图 2. 在建模中，单电池3D重建示意图。
图 3. (a) 异质单电池中，域的集成多相网格，(b) 几何模型细节，和 (c) TPB（three-phase boundary，三相边界）在单电池阳极和阴极中的分布。
图 4. (a)模型尺寸独立性的验证和 (b) 微观结构的非特定验证。
图 5.不同温度和湿度组合下，𝒊 ―𝑽和𝒊 ―𝒑的模拟和实验结果比较。
图 6. 不同 (a) 温度和 (b) 湿度下的校准因子和修正。
图 7. 不同温度和湿度组合下，模拟和实验结果的 EIS 比较。
图 8. 模拟不同温度和湿度组合下，氧离子导电相的电化学电位分布，电流密度𝒊 = 𝟎.𝟓 A cm-2。
图 9. 不同温度和湿度组合下的过电位分解。
图 10. 离子和电子电流的流线型分布，以及沿 x 轴的相应平均离子和电子电流密度，总电流密度为 i = 0.5 A cm-2。
图 11. 沿 x 轴横截面的平均指定 H2 分压分布和相应的 3D mapping，电流密度为 i = 0.5 A cm-2。
图 12. 在 (a) 孔相和 (b) LSCF 相中，沿 x 轴的横截面平均指定氧分压，以及相应的 3D mapping，电流密度为 i = 0.5 A cm-2。
图 13. 电池运行7000 h前后电化学性能模拟对比分析。(a) 测试前和 (b) 测试后电池的 2D FIB-SEM 图像；(c) 𝒊 ―𝑽和 𝒊 ―𝒑曲线，(d)EIS Nyquist 图，和 (e) 模拟结果的相应 DRT分析；在 (f) 总体、(g) 单电池、(h) AFL、(h) 垂直截面和(i) 平行截面中，离子导电相的 3D 电化学电位分布；(j) 3D 离子电流流线分布。（注：(f) - (j) 基于T = 1023 K、40% H2O 和电流密度 i = 1.5 A cm-2 时的模拟结果）。
总结与展望
基于上述结果，作者建立了一个多物理场耦合的异质单电池数值模型来预测 SOFC 的电化学性能，同时考虑了导电、电化学和气体传输过程，以及它们与使用FIB-SEM 重建的组件真实微观结构的耦合。作者对模型进行了标定，再现了单电池在𝑖 ―𝑉和𝑖 ―𝑝不同情况下的稳态和特性，以及动态 EIS 谱，与实验测量数据吻合良好。然后，该模型在具有不同 AFL 微结构的 SOFC 中，在 7000 小时长期运行前后进行了验证。基于模拟的 EIS 光谱和相应的定量分析，揭示了导致单电池欧姆电阻和电化学极化阻抗增加的机制，并与Ni 粗化和团聚引起的 AFL 中的微观结构演变相关，该发现在使用传统的简化数值模型中很难实现。
开发该模型是为了实现一种解释和预测工具，以解耦不同物理化学过程在过电位中的贡献，以及从阻抗数据准确推断动力学和微观结构效应。这项工作中建立的单电池模型可以用作诊断工具，以量化微观结构演化对实际应用的性能退化影响，这使得优化 SOFC 组件中的异质微观结构成为可能。应进行进一步的研究，将模型扩展到其他电化学装置的定量分析，如固体氧化物电解电池等。
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