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固体氧化物燃料电池力学性能与长期性能研究

方秀荣  
【摘要】:固体氧化物燃料电池是一种新型的能源转换技术,它通过电化学的方法直接将化学能转换为电能,并释放部分热量,因此能量利用的效率大大提升,因此备受关注。此外,它还具有适用多种燃料、有害污染物排放量小、噪音污染低等优势,可以被广泛地应用于家庭式电站、固定型电站、车载移动式电源以及军事、潜艇等方面,具有广泛的发展空间。由于实验方法本身的复杂性以及影响因素复杂,理论计算模拟SOFC的各项性能逐渐成为一种新的研究方式,并且可以直接而有效地分析电池性能并为实验设计提供参考,同时高效而且成本低廉。根据SOFC的工作原理及特点,结合多物理场耦合模型,可以有效地从几何结构设计、运行条件、材料优化等方面为SOFC的力学性能及长期稳定性提供量化的信息。理论计算将越来越丰富而深刻地为SOFC的设计提供思路和指导,对于SOFC的发展具有重要意义。本论文的主要内容围绕固体氧化物燃料电池及电池堆的力学机械性能与长期性能的数值模拟进行。下面对各章节的主要内容进行简单的介绍。第一章主要首先介绍了燃料电池的研究背景、发展历程以及燃料电池的基本构型和工作原理,并对模拟固体氧化物燃料电池的的理论模型做了简单的介绍。然后对固体氧化物燃料电池(本文中指平板式)的应用前景以及技术难点做了着重说明,以阐明对平板式氧化物燃料电池堆进行力学性能和长期性能的模拟十分重要。第二章开始先介绍了固体氧化物燃料电池力学性能模拟的研究意义和发展历程,并分别对实验测量和理论计算模拟的相关工作及最新进展作了简要介绍。然后详细描述了相关的力学分析理论模型,包括结构力学模型,以及多孔复合材料相关的理论模型,并就材料参数的实验与理论模型数据进行对比。接下来,从以下几个方面对SOFC的力学性能作了全面的评估:(一)材料组分的优化选择;(二)工作状态及工作过程对于SOFC力学性能有着重大影响;(三)电池的几何结构优化。我们全面地对比了对力学性能产生影响的各个参数,使得结果更加接近真实。第三章中就SOFC中的非弹性形变作了相关的分析。在高温及长期工作条件下,材料的形变将会产生诸如断裂、分层等现象的发生,因此研究材料的非弹性形变对于长期性能有着非常重要的意义。蠕变应变的第二个阶段的主要特征为其能长期保持稳定的蠕变速率,并且该阶段的蠕变应变量占总体应变的主要部分,因此,在本章的研究中,我们主要对电池内部各个组成材料在这一阶段的蠕变性行为进行分析。蠕变应变由材料的材料属性、温度和应力共同决定,并且多孔电极的蠕变还受到孔隙率的影响,在本章中,针对这些因素一一展开说明。陶瓷性材料在大的应变情况下直接破裂,根据其蠕变速率以及材料的最大应变量,可以预测其寿命。第四章是关于电池堆的力学及长期性能模拟。基于多物理场耦合模拟得到的电池堆模型的温度场,我们全面评估了电池堆内部的应力分布、并根据应力分布特征确定了电池的易损伤部位,并分析了最小蠕变速率与真实温度场分布的关联。第五章则对本博士学位论文的全部研究内容进行了简要总结。


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