多场耦合下平板式固体氧化物燃料电池热应力与失效概率计算

摘要

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种环保高效的新型发电方式，已成为世界各国的重点研究对象。但SOFC并未实现商业化应用，主要原因是其在高温下的结构强度以及密封技术仍存在问题。由于当前的试验测试手段难以测试研究SOFC服役中的状态，因此数值模拟成为研究SOFC的重要手段。本文建立了热流动-电化学反应多场耦合作用下的SOFC三维数值模型，通过流体动力学和有限元方法预测分析了SOFC在加热、工作和冷却整个服役过程中的温度分布和热应力分布，并计算了失效概率，讨论了SOFC工作过程中不同的工艺参数对温度场以及热应力场的影响规律。本文得出的结论如下： （1）加热阶段和冷却阶段与稳态工作阶段一样存在着的温度梯度，甚至比稳态工作阶段的温度梯度还要大，SOFC产生的热应力也较大，尤其是阳极、电解质、阴极（positive electrolyte negative plate，PEN）和密封层处的应力较大。PEN结构以及密封层在SOFC服役过程中会承受很大的应力，而且受力较为复杂，且在加热中后期和工作阶段的失效概率较大，是SOFC最易发生失效的部位。 （2）通过对比反向流动和同向流动两种气体流动方式，反向流动最高温和最低温相差较小，有着更均匀的温度场分布，温度梯度比同向流动要小，而且整体平均温度与同向流动相差不大。对于热应力，从整体上的应力分布来看，应力的分布与温度场的分布类似，因此热应力的产生主要是温度的变化、材料之间不同的热膨胀系数和外部约束的作用产生的；而从局部来看，同向流动温度分布产生的温度梯度比反向流动下的要大，进而导致同向流动情况下SOFC的热应力也较大。 （3）反向流动下，随着燃料气和空气流速的增加，SOFC的温度分布趋势不变，但温度最大值降低，平均温度减小，由温度变化和温度梯度产生的热应力也相应减小，一般来说，SOFC会通过改变空气的流速来调节温度的大小。 （4）SOFC温度会随着燃料气中氢气含量或空气中氧气的含量的增加而升高，SOFC的工作性能会相应的提高，但温度升高的幅度会逐渐变缓，而且温度梯度会逐渐增大，产生更大的热应力，因此，需要综合考虑SOFC的实际运行环境，选取合适的工艺参数。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 固体氧化物燃料电池简介

1.2.1 固体氧化物燃料电池的组成

1.2.2 固体氧化物燃料电池的工作原理

1.2.3 固体氧化物燃料电池的结构类型及特点

1.3 固体氧化物燃料电池温度场研究现状

1.4 固体氧化物燃料电池热应力研究现状

1.5 当前研究存在的问题

1.6 本文主要研究内容

第二章 固体氧化物燃料电池温度场计算

2.1 引言

2.2 几何模型及假设

2.3 热-流动模型

2.3.1 质量守恒方程

2.3.2 动量守恒方程

2.3.3 组分守恒方程

2.3.4 能量守恒方程

2.3.5 电势方程

2.4 电化学模型

2.4.1 活化极化

2.4.2 浓度极化

2.4.3 欧姆极化

2.5 边界条件及参数设置

2.6 网格无关性检验

2.7 结果与讨论

2.7.1 加热阶段

2.7.2 稳态工作阶段

2.7.3 冷却阶段

2.8 不同工艺参数对固体氧化物燃料电池温度分布的影响

2.8.1 流动方式的影响

2.8.2 气体组分的影响

2.8.3 气体流速的影响

2.9 本章小结

第三章 固体氧化物燃料电池热应力及失效概率计算

3.1 引言

3.2 基于温度场的热应力计算模型

3.3 失效概率计算方法

3.4 几何模型与网格划分

3.5 网格无关性检验

3.6 材料参数

3.7 边界条件

3.8 结果与讨论

3.8.1 加热阶段

3.8.2 稳态工作阶段

3.8.3 冷却阶段

3.9 本章小结

第四章 工艺参数对SOFC热应力和失效概率的影响

4.1 引言

4.2 流动方式对SOFC热应力和失效概率的影响

（1）应力场分布

（3）应变场分布

（4）失效概率计算

4.3 气体组分对SOFC热应力和失效概率的影响

4.3.1 阳极气体组分的影响

4.3.2 阴极气体组分的影响

4.4 气体流速对SOFC热应力和失效概率的影响

4.4.1 阳极气体流速的影响

4.4.2 阴极气体流速的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢