1.3　SOFC模拟仿真的重要性

1.3.1　复合电极微结构模拟

在过去20年里,人们对SOFC材料和电池制作工艺的广泛关注使得其核心组件——电极经历了从原理性单相电极[图1.14(a)],到多孔电极[图1.14(b)]、复合梯度电极[图1.14(c)]和骨架电极[图1.14(d)]的发展,再到中温e-/O2-混合导电材料[图1.14(e)、(f)]和H+导电材料的开发应用[图1.14(g)],使得SOFC单体性能得到了很大提升,化学能⁃电能转化功率密度可达1.3W·cm-2,同时也将其从高温(700~1000℃)区扩展到中低温(350~650℃)应用区。实际上,对于不同的电极成分配置、制作方法和工艺,其最直接的结果是导致不同的电极微观结构形貌特征,进而影响其复合电极宏观传输性质和多物理场协同工作特征。因此,发展微结构形貌与复合电极性质之间关联的理论体系具有重要意义。

图1.14　不同SOFC多孔复合电极结构及工作过程示意图

在过去几十年里,Sunde等提出的电子、离子电阻单元网络随机分布模型[8],Kenjo等提出的连续薄膜模型[9],Suzuki、Costamagna、Bouvard及笔者等修正完善的逾渗理论模型[3],以及Abhijit等提出的格子玻尔兹曼方法[10]等多种基于均匀或准均匀介质假设的方法,起到了很好的桥连微结构材料参数与物理场工作性质的作用。而近年来,聚焦离子束扫描显微技术、X射线断层摄影技术的不断发展,使我们可以得到高分辨率的复合电极截面图像[图1.15(a)][3],并通过判断不同材料相灰度实现微观电极结构重构。此外,基于球形颗粒随机分布方法得到的多孔微观结构形貌也被认为能合理地反映SOFC复合电极内部的无规则结构特征[图1.15(b)]。因此,在介观尺度上研究复合电极复杂微结构细节对电堆内部多场耦合特性的影响是一个重要的研究趋势。

图1.15　(a)复合电极截面图像显微技术[3];(b)球形颗粒随机分布方法;(c)与(b)YSZ固体颗粒对应的直接分网计算[11];(d)与(a)气孔部分对应的分网计算[12]