固体氧化物燃料电池堆各部件热应力数值模拟

摘要

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)是一种新型的全固态绿色能量转化装置,由于其效率高、燃料的适应性强、无须使用贵金属电极、规模和安装地点灵活等一系列优点,已成为燃料电池领域的研究热点。
　　固体氧化物燃料电池堆(Solid Oxide Fuel Cell stake,SOFCs)主要包括阳极、电解质、阴极、连接板、密封材料、镍基和装配螺钉等部件。三合一电极PEN(Positive/Electrolyte/Negative)是SOFC的关键部件,密封材料是保证系统内燃料气和氧化气分别在阳/阴极发生电极反应输出电流的重要部件。然而,阳极、电解质、阴极及阳极的载体镍网之间存在着热膨胀系数不匹配等因素,各功能层将随着温度的改变而发生形变以及相对位移,导致翘曲或断裂,最终发生分层现象而影响电池堆工作寿命。为此,本文基于工作状态条件下的温度分布,利用通用有限元软件ANSYS对电池堆进行热应力分析,预测SOFCs工作过程中各部件的应力分布和变形。主要研究内容为:
　　(1)编写Visual C++程序建立温度载荷导入接口,将前期有限元分析所得的温度值转化为本文热分析的温度载荷,对平板和瓦楞SOFCs进行应力分析。
　　(2)增加电池有效活性面是提高SOFCs输出功率的有效途径之一,本文突破传统SOFC结构设计,率先采用瓦楞SOFCs及八面体SOFCs的结构设计,采用该结构不仅可以增加电化学反应活性面,而且可以省去流场板的加工,节省制备周期和成本;采用数值模拟手段预测瓦楞SOFCs工作过程中各部件的变形和应力分布,并与平板SOFCs部件内的应力和变形相比,从理论上证明了瓦楞SOFCs的高能量、小形变的优势。
　　(3)针对如何选择最优SOFCs工作条件以便尽可能减小其变形和应力集中的问题,本文分别预测工作电压、燃料气体流速和空气流速对各结构不同部件的应力场分布的影响,为SOFCs实际工作条件的选择提供理论指导。

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1 绪 论

1.1 课题来源和意义

1.2 相关领域的国内外研究状况

1.3 课题的提出

1.4 本文的研究内容

2 SOFCs组成和工作原理

2.1 概述

2.2 SOFCs的组成

2.2 SOFC的工作原理

2.3 本章小结

3 基于温度场的热应力场建模

3.1 引言

3.2 塑性屈服与脆性断裂的强度理论

3.3 基于温度场的热应力场计算模型

3.4 有限元分析基本步骤

3.5 几何模型

3.6 材料的物理参数

3.7 选择单元类型和网格划分

3.8 基本假设、施加载荷和约束条件

3.9 本章小结

4 电池堆结构对SOFCs各部件热应力场的影响分析

4.1 引言

4.2 初始工作条件

4.3 两种结构SOFCs不同部件位移及热应力分布讨论

4.4 本章小结

5 工作条件对SOFCs的热应力场的影响分析

5.1 引言

5.2 工作电压对各结构SOFCs热应力场的影响

5.3 燃料气体流速对各结构SOFCs热应力场的影响

5.4 空气流速对各结构SOFCs热应力场的影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录