Computational Frameworks for Microstructure-Driven Design, Degradation, and Optimisation Analysis of Ni-GDC SOFC Anodes Using Phase-Field Methods

Trotz der Vorteile von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), ist deren breite Kommerzialisierung weiterhin durch Herausforderungen hinsichtlich Langzeitstabilität, Kosten und Leistungsfähigkeit begrenzt. Auf Zellebene wird die Leistung maßgeblich durch die Elektrodenmaterialien und die poröse Mikrostruktur bestimmt, während die Degradation eng mit der mikrostrukturellen Evolution, insbesondere innerhalb der Anode, verknüpft ist.
Im Vergleich zur relativ stabilen Zirkonoxidphase in Ni-Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (Ni-YSZ), weisen Ni-Gadolinium-dotiertes Ceroxid (Ni-GDC) Anoden eine ausgeprägte Evolution der GDC-Phase auf, was zu einer komplexeren mikrostrukturellen Dynamik führt. ... mehrDas Verständnis dieser durch mikrostrukturelle Evolution verursachten Degradationsprozesse ist entscheidend für die Vorhersage der Langzeitleistung und Lebensdauer von SOFCs. In dieser Arbeit wird ein Multiphasenfeldmodell (MPF) auf Basis einer großkanonischen Potentialformulierung eingesetzt, um die mikrostrukturelle Evolution von Ni-GDC Anoden unter Hochtemperatur-Betriebsbedingungen zu simulieren.

Zur Identifikation der Modellparameter für die Simulation der Alterung von Ni-GDC Anoden wird eine Methode des aktiven Lernens in Kombination mit Bayes'scher Optimierung verwendet, wobei FIB-SEM rekonstruierte experimentelle Mikrostrukturen und Phasenfeld-Alterungssimulationen herangezogen werden. Die Diffusions- und Grenzflächenparameter werden mittels eines auf gewichteter Summenskalarisierung basierenden Mehrzieloptimierungsansatzes identifiziert. Dabei zeigt sich, dass die resultierenden Werte mit verfügbaren Literaturdaten konsistent sind. Basierend auf den identifizierten Parametern wird die Vergröberung von Ni und GDC mithilfe quantitativer Phasenfeldsimulationen mittels FIB-SEM rekonstruierten dreidimensionalen Mikrostrukturen untersucht.
Die Validierung anhand ungealterter und vorgealterter Proben zeigt eine gute Übereinstimmung bei den zentralen mikrostrukturellen Kenngrößen, wobei die vorgealterten Strukturen genauer wiedergegeben werden. Der Einfluss der Grenzflächenenergien auf die Degradation wird untersucht. Dabei zeigt sich, dass niedrigere Ni-Kontaktwinkel die Ni-Vergröberung reduzieren, während niedrigere GDC-Kontaktwinkel die Langzeitstabilität des Ni beeinflussen. Darüber hinaus wird der Strukturgenerator um einen recheneffizienten, sinterähnlichen morphologischen Koaleszenzschritt erweitert, um realistische digitale Zwillinge von Ni-GDC Anoden zu erzeugen. Die generierten synthetischen Mikrostrukturen werden anhand mehrerer quantitativer Deskriptoren erfolgreich gegen FIB-SEM rekonstruierte Strukturen validiert und ermöglichen weiterführende Mikrostruktur-Eigenschafts Analysen zur Elektrodenoptimierung.


Zur Untersuchung der mikrostrukturellen Degradation werden fünfzehn synthetische Mikrostrukturen durch systematische Variation der Volumenanteile von Ni, GDC und Poren erzeugt. Sowohl elektrochemisch relevante Deskriptoren als auch mechanische Kenngrößen, wie Elastizitätsmodule und gemittelte von-Mises-Spannungen, werden als Funktion der Phasenvolumenanteile in den ungealterten Strukturen, sowie in ihrer zeitlichen Entwicklung während isothermer Alterung analysiert.
Die Ergebnisse identifizieren mikrostrukturelle Konfigurationen, die ein günstiges Verhältnis zwischen hoher elektrochemischer Ausgangsaktivität und geringer Degradation ermöglichen. Das elektrochemische Leistungsverhalten wird dabei durch das Zusammenspiel von Dreiphasengrenzliniendichte (TPB-Dichte), Ni-Perkolation und dem gemischt ionisch-elektronisch leitenden Verhalten (MIEC-Verhalten) des GDC bestimmt.
Konfigurationen mit geringerem Ni-Gehalt bleiben aufgrund stabiler GDC-Transportpfade und anhaltender elektrochemischer Aktivität funktionsfähig. Mikrostrukturen mit mittlerer Porosität (etwa \SI{35}{\percent}) zeigen das ausgewogenste mechanische Verhalten, während geringere und höhere Porositäten zu erhöhten Spannungskonzentrationen beziehungsweise zu verminderter funktionaler Leistungsfähigkeit führen.
Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse, dass ein optimales Design von Ni-GDC SOFC Anoden eine integrierte Betrachtung der elektrochemischen und mechanischen Leistungsfähigkeit auf Basis mehrerer mikrostruktureller Deskriptoren erfordert, anstatt einer Optimierung anhand einer einzelnen Kenngröße. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern quantitative Richtlinien für die Auswahl geeigneter mikrostruktureller Parameter für spezifische Ni-GDC Elektrodendesigns und bilden eine Grundlage für weiterführende Modellierungen auf Zell- und Stackebene.

Despite their advantages, the widespread commercialization of solid oxide fuel cells (SOFCs) remains limited by challenges in long-term stability, cost, and performance. At the cell level, performance is strongly determined by electrode materials and porous microstructure, while degradation is strongly linked to microstructural evolution, particularly within the anode. Compared with the relatively stable zirconia phase in Nickel-Yttria-stabilized zirconia (Ni-YSZ), Nickel-Gadolinium-doped ceria (Ni-GDC) anodes exhibit notable GDC phase evolution, resulting in more complex microstructural dynamics. ... mehrUnderstanding the degradation of SOFCs resulting from microstructural evolution is essential for predicting long-term cell performance and durability. In this work, a multiphase-field model (MPF) based on a grand-potential formulation is employed to simulate the microstructural evolution of Ni-GDC SOFC anodes under high-temperature operating conditions. An active learning framework combined with Bayesian optimization is employed to identify model parameters for simulating the aging of Ni-GDC anodes, using Focused ion beam-scanning electron microscopy (FIB-SEM) reconstructed experimental microstructures and phase-field aging simulations. Diffusion and interfacial parameters are identified using a weighted-sum scalarization-based multi-objective optimization approach, resulting in values that are consistent with the available literature data.

Following parameter identification, quantitative MPF simulations of Ni and GDC coarsening are performed employing the FIB-SEM reconstructed 3D microstructures.
% Validation against pristine and pre-aged samples shows good agreement across key microstructural metrics, with improved accuracy for pre-aged structures.
The influence of interfacial energies on degradation is further examined, indicating that lower Ni contact angles primarily mitigate Ni coarsening, while lower GDC contact angles influence Ni's long-term stability. The structure generator workflow is extended to create a realistic digital twin of Ni-GDC anodes by incorporating a computationally efficient morphological coalescence step similar to sintering. The generated synthetic structure is validated against FIB-SEM reconstructed 3D Ni-GDC anode microstructures across several quantitative descriptors, demonstrating strong agreement and enabling subsequent microstructure-property analyses for electrode optimization.

Fifteen synthetic microstructures are systematically generated by varying Ni, GDC, and pore volume fractions to investigate microstructural degradation. Electrochemical performance-relevant descriptors as well as mechanical integrity-relevant descriptors such as elastic moduli and average von Mises stress are analyzed as functions of phase volume fractions in pristine structures and their temporal evolution during isothermal aging. The results identify microstructural configurations that achieve a favorable balance between high initial electrochemical activity and reduced degradation, with the performance determined by the interplay between triple-phase boundary density, Ni percolation, and the Mixed ionic-electronic conductor (MIEC) behavior of the GDC. Configurations with lower Ni content remain viable due to stable GDC transport pathways and sustained electrochemical activity. Microstructures with intermediate porosity (about \SI{35}{\percent}) exhibit the most balanced mechanical behavior, while lower and higher porosities result in increased stress concentrations and reduced functional performance, respectively. Overall, the results highlight that optimal Ni-GDC SOFC anode design requires an integrated electrochemical-mechanical performance consideration based on multiple microstructural descriptors rather than single-metric optimization. The findings provide quantitative guidelines for selecting Ni and GDC volume fractions tailored to specific electrode designs, as well as for modeling at the cell and stack levels.