Fracture Simulation of Ni–YSZ Anode Microstructures of Solid Oxide Fuel Cells Using Phase Field Method

微观结构 材料科学 氧化钇稳定氧化锆 复合材料 阳极 固体氧化物燃料电池 相(物质) 极限抗拉强度 电极 立方氧化锆 化学 陶瓷 物理化学 有机化学
作者
Qiangqiang Li,Dingxi Xue,Chongyang Feng,Xiongwen Zhang,Guojun Li
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:169 (7): 073507-073507
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ac7c3f
摘要

The performance degradation of solid oxide fuel cells (SOFC) is directly related to the damage and fracture of electrode microstructures. In this study, the phase field fracture method is used to simulate the fracture of anode microstructures, and the effects of boundary constraints, thermal load, and Ni phase on the fracture of Ni–YSZ anode microstructures are investigated. Results show that tensile stresses occur in the Ni and YSZ phases whether above or below the reference temperature. The cracks propagate along the direction perpendicular to the first principal stress, showing a brittle fracture characteristic. When the microstructure is cooled, all cracks appear in YSZ phase, and almost all cracks initiate at the lowest point of YSZ–pore concave interface. When the microstructure is heated, the tensile first principal stress induces few cracks at local positions but will not make the cracks propagate continuously. The thermal mismatch between Ni and YSZ is not enough to induce cracks, and the fracture of electrode microstructure is more likely to be caused by external tensile load or the thermal mismatch between anode and electrolyte layers. The presence of Ni increases the stiffness of the microstructure, and solid phase’s disconnection reduces the strength of the microstructure.
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