МИКРОУРОВНЕВЫЙ ДВУМЕРНЫЙ ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕНИЙ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА АНОД – ЭЛЕКТРОЛИТ ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Расслоение и деградация рабочих характеристик поверхности раздела электрод/электролит твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) можно определить путем вычисления напряжений, генерируемых в разных слоях ячейки. В макроскопических математических моделях напряжения, возникшие в ТОТЭ, обычно считаются однородными по всему поперечному сечению. Однако в процессе функционирования этих композиционных материалов фактические напряжения в многофазных пористых слоях могут сильно отличаться от значений на макроуровне. Следовательно, для точной оценки фактических напряжений и функционирования ТОТЭ требуется микроуровневое моделирование. В статье приведена микроструктурная характеристика пористого анода/электролита ТОТЭ, а также двумерные механический и электрохимический анализы для изучения напряжения и перенапряжения. Микро-структура определялась томографией при помощи фокусированного ионного пучка, а полученные микро- структуры использовались для образования твердой сетки из двумерных трехгранных элементов. Для расчета главного напряжения и соотношения Стефана – Максвелла использовался пакет моделирования COMSOL Multiphysics. Поле напряжений рассчитано в диапазоне от комнатной до рабочей температуры, а перенапряжение – при рабочей температуре.

1. Singhal S.C., Kendall K. High temperature solid oxide fuel cells. 1st ed. 2003. Genova.

2. Staffell I., Green R. The cost of domestic fuel cell micro-CHP systems. Int. J. Hydrogen Energy, 2013;38:1088–102.

3. Celik S., Timurkutluk B., Mat M.D. Measurement of the temperature distribution in a large solid oxide fuel cell short stack. Int. J. Hydrogen Energy, 2013;38:10534–41.

4. Gostovic D., Smith J.R., Kundinger D.P., Jones K.S., Wachsman E.D. Three-dimensional reconstruction of porous LSCF cathodes. Electrochem. Solid State Lett., 2007;10:B214–7.

5. Holzer L., Muench B., Wegmann M., Gasser P., Flatt R.J. FIBnanotomography of particulate systems – part I: particle shape and topology of interfaces. J. Am. Ceram. Soc., 2006;89:2577–85.

6. Holzer L., Munch B., Iwanschitz B., Cantoni M., Hocker T., Graule T. Quantitative relationships between composition, particle size, triple phase boundary length and surface area in nickelecermet anodes for solid oxide fuel cells. J. Power Sources, 2011;196:7076–89.

7. Kanno D., Shikazono N., Takagi N., Matsuzaki K., Kasagi N. Evaluation of SOFC anode polarization simulation using three-dimensional microstructures reconstructed by FIB tomography. Electrochimica Acta, 2011;56:4015–21.

8. Shearing P.R., Cai Q., Golbert J.I., Yufit V., Adjiman C.S., Brandon N.P. Microstructural analysis of a solid oxide fuel cell anode using focused ion beam techniques coupled with electrochemical simulation. J. Power Sources, 2010;195:4804–10.

9. Vivet N., Chupin S., Estrade E., Piquero T., Pommier P.L., Rochais D., et al. 3D microstructural characterization of a solid oxide fuel cell anode reconstructed by focused ion beam tomography. J. Power Sources, 2011;196:7541–9.

10. Vivet N., Chupin S., Estrade E., Richard A., Bonnamy S., Rochais D., et al. Effect of Ni content in SOFC Ni-YSZ cermets: a three-dimensional study by FIB–SEM tomography. J. Power Sources, 2011;196:9989–97.

11. Wilson J.R., Kobsiriphat W., Mendoza R., Chen H.Y., Hiller J.M., Miller D.J., et al. Three-dimensional reconstruction of a solidoxide fuel-cell anode. Nat. Mater, 2006;5:541–4.

12. Grew K.N., Peracchio A.A., Chiu W.K.S. Char-acterization and analysis methods for the examination of the heterogeneous solid oxide fuel cell electrode micro-structure: part 2. Quantitative measurement of the micro-structure and contributions to transport losses. J. Power Sources, 2010;195:7943–58.

13. Shearing P.R., Gelb J., Brandon N.P. X-ray nano computerized tomography of SOFC electrodes using a focused ion beam sample-preparation technique. J. Eur. Ceram. Soc., 2010;30:1809–14.

14. Cronin J.S., Wilson J.R., Barnett S.A. Impact of pore microstructure evolution on polarization resistance of Niyttria-stabilized zirconia fuel cell anodes. J. Power Sources, 2011;196:2640–3.

15. Jasak H., Weller H.G. Application of the finite volume method and unstructured meshes to linear elasticity. Int. J. Numer. Meth. Eng., 2000;48:267–87.

16. Fryer Y.D., Bailey C., Cross M., Lai C.H. A control volume procedure for solving the elastic stress– strain equations on an unstructured mesh. Appl. Math. Model, 1991;15:639–45.

17. Atkinson A., Ramos T.M.G.M. Chemically-induced stresses in ceramic oxygen ion-conducting membranes. Solid State Ionics, 2000;129:259–69.

18. Radovic M., Lara-Curzio E. Mechanical properties of tape cast nickel-based anode materials for solid oxide fuel cells before and after reduction in hydrogen. Acta Mater, 2004;52:5747–56.

19. Radovic M., Lara-Curzio E. Elastic properties of nickel-based anodes for solid oxide fuel cells as a function of the fraction of reduced NiO. J. Am. Ceram. Soc., 2004;87:2242–6.

20. Wang L., Wang Y., Zhang W.Q., Sun X.G., He J.Q., Pan Z.Y., et al. Finite element simulation of stress distribution and development in 8YSZ and double-ceramic-layer La2Zr2O7/8YSZ thermal barrier coatings during thermal shock. Appl. Surf. Sci., 2012;258:3540–51.