1.3　SOFC模擬仿真的重要性

1.3.1　復合電極微結構模擬

在過去20年里,人們對SOFC材料和電池制作工藝的廣泛關注使得其核心組件——電極經(jīng)歷了從原理性單相電極[圖1.14(a)],到多孔電極[圖1.14(b)]、復合梯度電極[圖1.14(c)]和骨架電極[圖1.14(d)]的發(fā)展,再到中溫e-/O2-混合導電材料[圖1.14(e)、(f)]和H+導電材料的開發(fā)應用[圖1.14(g)],使得SOFC單體性能得到了很大提升,化學能?電能轉化功率密度可達1.3W·cm-2,同時也將其從高溫(700~1000℃)區(qū)擴展到中低溫(350~650℃)應用區(qū)。實際上,對于不同的電極成分配置、制作方法和工藝,其最直接的結果是導致不同的電極微觀結構形貌特征,進而影響其復合電極宏觀傳輸性質和多物理場協(xié)同工作特征。因此,發(fā)展微結構形貌與復合電極性質之間關聯(lián)的理論體系具有重要意義。

圖1.14　不同SOFC多孔復合電極結構及工作過程示意圖

在過去幾十年里,Sunde等提出的電子、離子電阻單元網(wǎng)絡隨機分布模型[8],Kenjo等提出的連續(xù)薄膜模型[9],Suzuki、Costamagna、Bouvard及筆者等修正完善的逾滲理論模型[3],以及Abhijit等提出的格子玻爾茲曼方法[10]等多種基于均勻或準均勻介質假設的方法,起到了很好的橋連微結構材料參數(shù)與物理場工作性質的作用。而近年來,聚焦離子束掃描顯微技術、X射線斷層攝影技術的不斷發(fā)展,使我們可以得到高分辨率的復合電極截面圖像[圖1.15(a)][3],并通過判斷不同材料相灰度實現(xiàn)微觀電極結構重構。此外,基于球形顆粒隨機分布方法得到的多孔微觀結構形貌也被認為能合理地反映SOFC復合電極內(nèi)部的無規(guī)則結構特征[圖1.15(b)]。因此,在介觀尺度上研究復合電極復雜微結構細節(jié)對電堆內(nèi)部多場耦合特性的影響是一個重要的研究趨勢。

圖1.15　(a)復合電極截面圖像顯微技術[3];(b)球形顆粒隨機分布方法;(c)與(b)YSZ固體顆粒對應的直接分網(wǎng)計算[11];(d)與(a)氣孔部分對應的分網(wǎng)計算[12]