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Ni agglomeration and performance degradation of solid oxide fuel cell: A model-based quantitative study and microstructure optimization

材料科学 微观结构 阳极 集聚经济 粒子(生态学) 功率密度 化学工程 粒径 降级(电信) 冶金 电极 热力学 电子工程 功率(物理) 化学 物理 地质学 工程类 物理化学 海洋学
作者
Quanrong Fu,Chao Tian,Lianming Hun,Xin Wang,Zhiyi Li,Zhijun Liu,Wei Wei
出处
期刊:Energy [Elsevier]
卷期号:289: 129997-129997
标识
DOI:10.1016/j.energy.2023.129997
摘要

Nickel agglomeration poses a noteworthy impediment to the commercialization of SOFCs. A comprehensive coupled degradation model is established, encompassing a Ni-particle coarsening model, microstructural parameters, effective mesoscopic parameters, and various transport processes (mass/momentum/heat/charge/multi-species transports), and chemical/electrochemical reactions. The initial anode microstructural parameters are optimized by the comprehensive model and response surface method (RSM). Single-factor analysis shows that within the initial Ni-particle diameter (dNi(t=0)) range of 0.6–0.9 μm, a particle size ratio (R) of 1.0–1.5 between YSZ-particle and Ni-particle, and a solid-phase volume fraction of Ni-particle (ψNi) ranging from 0.35 to 0.55, SOFC demonstrates high power density and a reduced degradation rate. Using the single-factor results, RSM is employed for -anode microstructure optimization, specifying: dNi(t=0) = 0.7 μm, R = 1.0, and ψNi = 0.49. Correspondingly, the average power density at 0.6 V (PD¯0.6V) reaches 2828.5 W/m2, with a degradation rate (Vde) off 0.441 %/1000 h. In comparison to original microstructure parameters (dNi(t=0) = 0.6 μm, R = 1.0, ψNi = 0.4), the optimal SOFC exhibits a remarkable enhancement in electrical performance and durability, with an 11.9 % increase in PD¯0.6V and a 69 % reduction in Vde. The integration of the comprehensive model and RSM presents a promising strategy for predicting performance, refining operation condition, and optimizing electrode microstructure for long-term operating SOFC.

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