固體氧化物燃料電池熱應力失效機理研究

《固體氧化物燃料電池熱應力失效機理研究》是依託西安交通大學，由黨政擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：固體氧化物燃料電池熱應力失效機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黨政
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

SOFC內部熱應力產生的原因有兩類：一是製造過程中形成的燒結相以及熱膨脹不匹配所導致的殘餘應力；另一種是運行過程中其內部溫度分布的不均勻性。其後果直接表現為電化學性能衰減甚至電池單元失效。由於特殊的結構形式，使得實驗測量SOFC內部非均勻溫度分布、熱應力等局部參數變得異常困難，阻礙了SOFC熱應力失效機理研究的快速進展。隨著數值計算技術的迅速發展，為獲得SOFC內部詳細的非均勻溫度分布等提供了有利手段；為SOFC熱應力失效研究另闢蹊徑。本項目主要研究內容如下：(1)熱膨脹不匹配對大面積平板型SOFC熱應力失效的影響規律。(2)非穩態運行過程中SOFC熱應力失效的影響規律。(3)中溫平板型SOFC微晶玻璃密封應力鬆弛的定量研究。(4)甲烷間接內重整管式SOFC熱應力失效及其影響因素。本項目的完成對於提高SOFC的工作壽命與發電性能、指導其設計、最佳化、及套用控制將提供重要的科學理論依據。

結題摘要

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）的核心部件由陶瓷材料構成，由於材料熱膨脹係數不匹配會產生熱應力，這將嚴重影響電池的性能甚至導致電池堆的破壞失效。 本項目的主要研究工作有以下幾方面：(1)發展完善SOFC傳熱傳質數值模型。採用Lattice Boltzmann方法分別在REV尺度及孔隙尺度模擬研究了SOFC多孔電極內的傳質過程及濃差極化損失;研究了系統參數對SOFC的傳熱傳質及電化學性能的影響; (2) 搭建了SOFC發電性能測試系統,測試了多孔電極的微結構及其阻抗曲線，為SOFC數值模型驗證提供數據支撐。(3)建立了電解質支撐、陽極支撐SOFC三維熱應力有限元模型，在此基礎上，研究了平板式及管式SOFC中設計參數和運行參數對材料殘餘應力、熱應力的影響機率，並結合Weibull準則進行了失效機率預測，提出了平板式SOFC的設計準則和運行控制策略。 殘餘應力研究表明平板式SOFC最大殘餘應力和位移出現在單電池四個頂角處電解質和陽極交界面上，頂角處陽極、陰極承受拉應力，電解質中為壓應力；電解質支撐平板式SOFC中陰極失效機率最大，陽極支撐平板式SOFC中陰極失效機率也最大。 固定陽極材料熱膨脹係數時陰極材料熱膨脹係數適配範圍很窄，所以應當先確定陰極材料熱膨脹係數然後選擇相匹配的陽極材料熱膨脹係數；單電池製備溫度越高殘餘應力值越大，失效機率越高；電解質支撐型SOFC中殘餘應力和失效機率隨支撐體厚度增大而減小，陽極支撐型SOFC中殘餘應力和失效機率同樣隨支撐體厚度增大而減小。 熱應力研究發現：在均勻溫度條件下，SOFC在運行時失效機率比停止時低；熱應力隨工作溫度升高而降低；模型中考慮電連線體的影響時，平板式SOFC熱應力和失效機率均增加，考慮溫度梯度的影響時，熱應力和失效機率均減小；對向流電解質支撐型平板式SOFC中的熱應力失效機率隨輸出電壓、燃料入口溫度增加而降低，隨空氣入口溫度增加而增加。 對不同流動形式的電解質支撐平板式SOFC中的熱應力和失效機率比較發現，交錯流動平板式SOFC中陰極和陽極的失效機率最低，同向流動時電解質失效機率最低，交錯流動時單電池總體安全性能最好。 本項目的完成對於提高SOFC的工作壽命與發電性能、指導其設計、最佳化及套用控制將提供重要的科學理論依據。