固体氧化物燃料电池热应力失效机理研究

SOFC内部热应力产生的原因有两类：一是制造过程中形成的烧结相以及热膨胀不匹配所导致的残余应力；另一种是运行过程中其内部温度分布的不均匀性。其后果直接表现为电化学性能衰减甚至电池单元失效。由于特殊的结构形式，使得实验测量SOFC内部非均匀温度分布、热应力等局部参数变得异常困难，阻碍了SOFC热应力失效机理研究的快速进展。随着数值计算技术的迅速发展，为获得SOFC内部详细的非均匀温度分布等提供了有利手段；为SOFC热应力失效研究另辟蹊径。本项目主要研究内容如下：(1)热膨胀不匹配对大面积平板型SOFC热应力失效的影响规律。(2)非稳态运行过程中SOFC热应力失效的影响规律。(3)中温平板型SOFC微晶玻璃密封应力松弛的定量研究。(4)甲烷间接内重整管式SOFC热应力失效及其影响因素。本项目的完成对于提高SOFC的工作寿命与发电性能、指导其设计、优化、及应用控制将提供重要的科学理论依据。

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）的核心部件由陶瓷材料构成，由于材料热膨胀系数不匹配会产生热应力，这将严重影响电池的性能甚至导致电池堆的破坏失效。.本项目的主要研究工作有以下几方面：(1)发展完善SOFC传热传质数值模型。采用Lattice Boltzmann方法分别在REV尺度及孔隙尺度模拟研究了SOFC多孔电极内的传质过程及浓差极化损失;研究了系统参数对SOFC的传热传质及电化学性能的影响; (2) 搭建了SOFC发电性能测试系统,测试了多孔电极的微结构及其阻抗曲线，为SOFC数值模型验证提供数据支撑。(3)建立了电解质支撑、阳极支撑SOFC三维热应力有限元模型，在此基础上，研究了平板式及管式SOFC中设计参数和运行参数对材料残余应力、热应力的影响概率，并结合Weibull准则进行了失效概率预测，提出了平板式SOFC的设计准则和运行控制策略。.残余应力研究表明平板式SOFC最大残余应力和位移出现在单电池四个顶角处电解质和阳极交界面上，顶角处阳极、阴极承受拉应力，电解质中为压应力；电解质支撑平板式SOFC中阴极失效概率最大，阳极支撑平板式SOFC中阴极失效概率也最大。.固定阳极材料热膨胀系数时阴极材料热膨胀系数适配范围很窄，所以应当先确定阴极材料热膨胀系数然后选择相匹配的阳极材料热膨胀系数；单电池制备温度越高残余应力值越大，失效概率越高；电解质支撑型SOFC中残余应力和失效概率随支撑体厚度增大而减小，阳极支撑型SOFC中残余应力和失效概率同样随支撑体厚度增大而减小。.热应力研究发现：在均匀温度条件下，SOFC在运行时失效概率比停止时低；热应力随工作温度升高而降低；模型中考虑电连接体的影响时，平板式SOFC热应力和失效概率均增加，考虑温度梯度的影响时，热应力和失效概率均减小；对向流电解质支撑型平板式SOFC中的热应力失效概率随输出电压、燃料入口温度增加而降低，随空气入口温度增加而增加。.对不同流动形式的电解质支撑平板式SOFC中的热应力和失效概率比较发现，交错流动平板式SOFC中阴极和阳极的失效概率最低，同向流动时电解质失效概率最低，交错流动时单电池总体安全性能最好。.本项目的完成对于提高SOFC的工作寿命与发电性能、指导其设计、优化及应用控制将提供重要的科学理论依据。