Understanding Degradation Phenomena in Solid-Oxide Fuel-Cell Anodes by Phase-Field Modeling and Analytics

In der vorliegenden Arbeit werden numerische und analytische Verfahren angewendet, um die quantitative Mikrostrukturmodellierung in Materialsystemen zu erleichtern, die sowohl Volumendiffusion als auch Grenzflächendiffusion beinhalten. Dies wird erreicht, indem ein existierendes Multiphasenfeldmodell für Multikomponentensysteme um einen Term erweitert wird, der Diffusion entlang von Korn- und Phasengrenzen erlaubt. Eine detaillierte analytische Untersuchung der Kombination von Oberflächen- und Volumendiffusion liefert das Verhalten des Modells für eine verschwindende Grenzflächenbreite. ... mehrDie dadurch erhaltene Gesetzmäßigkeit ist mit einer erweiterten Oberflächenbilanz konsistent und kann quantitativ mit der Oberflächendiffusionstheorie in Einklang gebracht werden. Zusätzlich werden analytische Vorhersagen hoher Ordnung vorgestellt, die den Einfluss von Interpolationsfunktionen in Phasenfeldmodellen des Hindernistyps beleuchten. Die Analyse deckt zum ersten Mal das nichtlineare Modellverhalten in Bezug auf eine Veränderung in der Grenzflächenbreite und -geschwindigkeit auf. Dieser Effekt kann in numerischen Simulationen reproduziert werden. Das erweiterte Multiphasenfeldmodell wird auf Nickelvergröberung in konventionellen Nickel-YSZ Festoxidbrennstoffzellanoden angewandt. Eine große Anzahl von dreidimensionalen Simulationsstudien werden durchgeführt, basierend sowohl auf künstlich generierten, als auch experimentell rekonstruierten Mikrostrukturen. Der Einfluss einer Variation in der initialen Mikrostruktur wird in Bezug auf zeitliche Veränderungen von mikrostrukturellen Kenngrößen diskutiert. Die Simulationen der künstlich generierten Strukturen zeigen, dass eine feine Verteilung des YSZ die Vergröberung des Nickels einschränkt. Dieses mildert schlussendlich die Degradation des Anodenmaterials ab. Die Simulationen basierend auf einer realistischen, durch FIB-SEM Mikroskopie rekonstruierten Mikrostruktur, zeigen zusätzlich, dass ein geringfügiger Nickelzusatz den Anteil an Nickelinseln reduziert. Es wird gezeigt, dass dies die Langlebigkeit der Anode erhöht. Die räumlich und zeitlich aufgelösten Mikrostrukturdaten, welche durch die Phasenfeldsimulationen bereitgestellt werden, können als Eingangsgrößen für ein Kettenleitermodell verwendet werden. Dies ermöglicht eine Abschätzung der elektrochemischen Eigenschaften der Anode während des Betriebs. Zukunftsperspektiven für die Forschung werden durch die Oberflächenerweiterung erreicht, da diese nicht ausschließlich für die Vergröberung von Nickel formuliert ist. Dadurch kann eine große Bandbreite von Systemen genauer beschrieben werden, in denen der Transport entlang von Grenzflächen eine entscheidende Rolle spielt, was zuvor nicht möglich war. Die Kombination der Phasenfeldmethode mit Kettenleitermodellen scheint ein zukunftsträchtiger Werkzeugkasten zu sein, da er leicht erweiterbar ist indem man beispielsweise die Komplexität des Kettenleiteransatzes erhöht und auf eine erweiterte Palette von mikrostrukturellen Parametern zurückgreift.

The current work combines numerical and analytical techniques to facilitate quantitative microstructure modeling in material systems which include not only bulk diffusion but also diffusion along interfaces. This is achieved by extending an existing multiphase-field model for multicomponent systems with a term allowing diffusion of species along grain and phase boundaries. A detailed analytical investigation delivers the sharp-interface limit of the phase-field model for a combination of surface and bulk diffusion. The obtained governing law is consistent with an extended interfacial balance and can be quantitatively related to surface-diffusion theory. ... mehrAdditionally, high-order analytical predictions are presented concerning the effect of a choice of interpolation function in phase-field models of obstacle type. The analysis unravels for the first time nonlinear model behavior in terms of variations in interface thickness and velocity. This effect is shown to be reproducible in numerical simulations. The extended multiphasefield model is applied to nickel coarsening in conventional nickel-YSZ solidoxide fuel cell anodes. A large number of three-dimensional simulation studies are performed based on artificially generated as well as experimentally reconstructed microstructures. The influence of variations in the initial microstructure is discussed concerning the evolution of selected key microstructural properties. The simulations on artificially generated structures show that a fine YSZ network can partially suppress the coarsening of nickel which in turn mitigates degradation of the anode material. The simulations on a realistic FIB-SEM reconstructed anode show in addition that a slight increase in nickel content reduces the amount of nickel islands which improves its durability. The spatially and temporally resolved microstructural data provided by phase-field simulations can be used as input for a transmission-line model providing an estimate of the electrochemical properties of the anode during operation. Future research perspectives are enabled by the surface diffusion extension since it is not exclusively formulated for nickel coarsening. Therefore, a large variety of systems can be accurately rendered where transport along interfaces plays an important role which was not possible before. Combining the phase-field method with transmission-line models seems to be a toolchain with good prospects since it can easily be advanced further e.g. by increasing the complexity of the TLM and incorporating a larger amount of microstructural properties.