1、目的

固体氧化物燃料电池在高温下运行，并且可以实现高发电效率。但是，为了进一步提高效率，减少“气相-电解质-电极”三相界面处的电极过电压十分重要。因此，该研究的目的是追溯电极和电解质中发生的基本反应的动力学，并通过多尺度模拟来阐明现象的本质。

2、计算方法

该分析模型根据河野等人的论文¹，基于一维图形电极进行了公式化。使用以化学反应中的净通量为源项的扩散方程作为控制方程。此外，施加边界条件，以使三相界面处的化学物质通量等于通过电荷转移反应产生的化学物质的净生成率。

由于此分析中，表面化学反应和扩散的时间尺度有很大差异，因此控制方程相对于时间隐式离散，同时对于同一方程的空间离散应用有限元方法。作为计算条件，设定工作温度为973K、全压为1.0×10⁵Pa、YSZ孔隙率为3.7%。

3、结果及考察

为了评估该分析结果，比较了计算得到的I-V特性和实验结果。使用Vogler、水崎等人的实验结果^2,3作为比较对象。在与Vogler等人的比较中，将氢和水蒸气分压分别设定为2.5×10⁴、5.0×10¹Pa，Ni、YSZ厚度设定为20μm；在与水崎等人的比较中，将氢分压设定为3.0×10³Pa，水蒸气分压设定为4.0×10²~1.7×10³Pa，Ni、YSZ厚度分别设定为10、25μm，并在与实验相同的条件下进行计算。

图1. 电流密度与（a）过电位和（b）电池电位的关系。

如图1（a）所示，分析结果与Vogler等人的实验结果非常接近。然而，在图1（b）中，分析结果的电流密度大于水崎等人的实验结果。在此分析中，虽然从诸多论文中引用了化学物质的热力学数据、反应速率常数、扩散系数等作为输入参数，但由于阿伦尼乌斯公式和密度泛函理论等关于吸附和扩散参数的计算方法不同，导致所得值的范围很大。

此外，电荷转移反应的反应速率常数是通过与实验结果拟合而得到的值，与根据Ammal和Cucinotta等人^4,5的DFT计算得到的值不同。因此，考察了输入参数的差异对此分析结果的I-V特性的影响。

参考文献：

(1) H. Kohno, S. Liu, T. Ogura, T. Ishimoto, D. S. Monder, K. Karan, and M. Koyama, ECS Transactions, 57, 2821-2830 (2013).

(2) M. Vogler, A. Bieberle-Hutter, L. Gaucker, J. Warnatz and W. G. Bessler, J. Electrochem. Soc., 156, B663-B672 (2009).

(3) J. Mizusaki, H. Tagawa, T. Saito, and T. Yamamura, Solid State Ionics, 70/71, 52-58 (1994).

(4) S. C. Ammal and A. Heyden, J. Phys. Chem. Lett., 3, 2767 (2012).

(5) C. S. Cucinotta, M. Bernasconi, and M. Parrinello, Phys. Rev. Lett., 107, 206103 (2011).

固体氧化物燃料电池中三相界面的反应分析