Degradation considered zero-dimensional simulation model of solid oxide cell

Abstract

Solid oxide cells (SOCs), comprising solid oxide fuel cell (SOFC) and electrolysis cell (SOEC), have attracted considerable attention due to their high efficiency and fuel flexibility. However, high-temperature operation induces degradation and limits lifetime. To mitigate these issues, it is essential to understand degradation mechanisms and identify optimal operating conditions. This study proposes a zero-dimensional (0D) simulation model capable of rapidly predicting degradation trends, thereby supporting the optimal operation protocol and lifetime estimation of cells and systems. The model incorporates three major degradation mechanisms: chromium (Cr) poisoning in the oxygen electrode, microstructure change in the fuel electrode, and interconnect corrosion. Cr poisoning induces activation loss by reducing the triple phase boundary (TPB) through precipitation, with pathways dependent on oxygen electrode material. To reflect this, the relative fraction of Cr precipitates is newly defined based on the molecular projected area, and a unified framework reflecting degradation of lanthanum strontium manganite–yttria stabilized zirconia (LSM-YSZ) and lanthanum strontium cobaltite (LSC) oxygen electrode is developed. Microstructure changes are classified into nickel (Ni) coarsening in SOFC mode and Ni migration in SOEC mode; the former shortens the TPB and exacerbates activation losses, while the latter causes interfacial depletion, thickening the YSZ layer and aggravating ohmic losses. In addition, interconnect corrosion accelerates oxide scale growth, decreasing electronic conductivity and leading to further ohmic degradation. Degradation behavior was systematically analyzed with respect to temperature, current density, humidity, and Crsuppressive interconnect coatings. In SOFC, oxygen electrode characteristics dominated: degradation was accelerated at low temperatures with LSM-YSZ oxygen electrode and at high temperatures with LSC oxygen electrode. Durability was further improved under low current density, low humidity, and with coated interconnects. In the case of the SOEC, degradation was primarily governed by the Ni migration and exhibited an accelerated tendency at lower temperatures. The proposed SOC model is validated through comparison with experimental and literature simulation data, and its utility was further demonstrated through sensitivity analysis. To our knowledge, this is the first comprehensive framework to quantify Cr poisoning based on the molecular projected area while unifying the degradation behavior of LSM–YSZ and LSC oxygen electrodes, providing a novel tool for SOC design, operational optimization, and lifetime extension.;고체산화물전지(SOC)는 고체산화물연료전지와 고체산화물수전해전지로 구성되며, 높은 효율과 연료 다양성으로 인해 큰 관심을 받고 있다. 그러나 고온 운전은 열화를 유발하여 수명을 제한하므로, 이러한 문제를 완화하기 위해서는 열화 메커니즘에 대한 이해와 최적 운전 조건 도출이 필수적이다. 본 연구에서는 열화 경향을 신속하게 예측하고 셀 및 시스템의 최적 운전 전략과 수명 평가에 활용할 수 있는 0차원 열화 시뮬레이션 모델을 제안한다. 본 모델은 공기극에서의 크롬 중독, 연료극에서의 미세구조 변화, 인터커넥트 부식의 세 가지 주요 열화 메커니즘을 반영한다. 크롬 중독은 침전에 따른 삼상계면 감소로 활성화 손실을 유발하며, 그 반응 경로는 공기극 소재에 따라 달라진다. 이를 보다 정확하게 반영하기 위해, 흡착종의 표면 덮개율을 분자 투영면적 기반으로 새롭게 정의하여 기존 몰분율 기반 접근의 한계를 개선하였다. 또한 LSM–YSZ와 LSC 공기극을 모두 설명할 수 있는 단일 통합 크롬 중독 모델을 구축하였다. 연료극 미세구조 변화는 연료전지 운전 시 니켈 응집, 수전해운전 시 니켈 이동으로 구분된다. 니켈 응집은 TPB 감소로 인한 활성화 손실을, 니켈 이동은 계면 탈니켈화를 초래해 YSZ층을 두껍게 만들고 옴 손실을 증가시킨다. 인터커넥트 부식은 산화층 성장에 따라 전도도가 저하함으로써 추가적인 옴 열화를 유발한다. 본 연구에서는 온도, 전류밀도, 습도, 크롬 휘발 억제용 인터커넥트 코팅 적용 여부에 따른 열화 거동을 체계적으로 분석하였다. 연료전지의 경우 공기극 특성이 열화를 지배했으며, LSM–YSZ 공기극은 저온에서, LSC 공기극은 고온에서 열화가 빠르게 진행되었다. 낮은 전류밀도, 낮은 습도, 코팅된 인터커넥트는 열화 완화에 효과적이었다. 수전해에서는 연료극의 니켈 이동이 열화를 가장 크게 지배하였고, 저온 조건에서 열화가 더욱 가속되었다. 제안된 SOC 열화 모델은 실험 데이터 및 기존 문헌의 시뮬레이션 결과와 비교·검증되었으며, 민감도 분석을 통해 모델의 활용도 또한 입증되었다. 특히 본 연구는 분자 면적 기반 크롬 표면덮개율 정의와 공기극 소재 통합 크롬 중독 모델을 동시에 구현한 최초의 SOC 열화 연구로서, 향후 SOC 설계, 운전 최적화, 수명 향상을 위한 새로운 분석 도구로 활용될 수 있다.