工业革命以来,人类社会生产力获得快速发展,同时伴随着传统化石能源的过度消耗,一方面化石能源即将面临枯竭,另一方面化石能源的使用造成了严重的环境污染与破坏。目前迫切需要发展无污染、可持续的新型能源。固体氧化物燃料电池是一种高效清洁的新型能源发电系统,应用前景广泛。然而其在高温工作环境下,电池内部微结构发生变化,性能衰减较快而阻碍其商业化应用。我们通过X射线纳米CT技术无损获得Ni-YSZ阳极的三维结构,并对电池内部一些连通性、三相界面长度等关键参数进行定量分析。在真实三维结构信息基础上,通过格子玻尔兹曼方法模拟研究了燃料电池运行过程中内部的气体分布和离子电流密度分布,并分析了电池性能衰减可能的原因,可以为阳极制备和结构优化提供一定参考。本文主要工作为:1.调研了燃料电池的发展历史以及全球燃料电池研究现状和应用前景,研究燃料电池的电化学反应机理,分析其存在的明显优势和不足之处。介绍了X射线纳米成像系统的原理和优势,介绍格子玻尔兹曼方法原理,并将三相界面反应位点加入到模型中,使模拟气体分布更加准确,更加贴近真实情况。2.采用X射线纳米成像技术获得Ni-YSZ阳极二维投影图,通过灰度分割和三维重构获得阳极样品内部Ni相、YSZ相和孔隙相的三维空间分布,并采用数据定量分析获得SOFC阳极体积分数、扭曲因子、有效三相界面长度等主要参数。通过分析并比较运行2小时和运行20小时后电池微结构参数,发现电池运行20小时比运行2小时Ni的体积分数下降,三相界面长度大幅降低,这可能由于Ni颗粒的迁移团聚所致,并会最终导致电池性能的衰减。3.采用格子玻尔兹曼方法分别研究了运行2个小时和运行20小时后氢气、水在燃料电池中的三维分布以及离子电流密度的三维分布。通过比较发现,电池运行20小时后,由于阳极微结构发生变化,电池运行过程中氢气的消耗减少,产生的水减少,氧离子消耗减少。这主要是由于Ni颗粒参与了电化学反应的氧化还原过程,致使Ni颗粒发生迁移聚集,进而影响整个Ni-YSZ阳极的内部结构,电池性能降低。