电解质支撑平板型SOFC结构热应力有限元分析.docVIP

 电解质支撑平板型 SOFC 结构热应力有限 元分析# 王慧1，徐晗1,2，党政1，白博峰2** 5 10 15 20 25 30 （1. 西安交通大学建筑环境与设备工程系，西安 710049； 2. 西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049） 摘要：固体氧化物燃料电池（SOFC）在高温运行过程中因为各部件热膨胀系数不匹配以及 温度梯度会产生热应力，本文采用有限元数值计算方法，建立了电解质支撑平板式 SOFC 单 电池的三维数值模型，计算了电池在均匀温度场和非均匀温度场下的结构热应力。计算结果 表明，当单电池处于均匀温度场时，最大热应力位于阳极和电解质层的交界面处，电池内最 大热应力与材料的热膨胀系数、电池的尺寸密切相关；单电池处于非均匀温度场时最大热应 力的数值明显增大，且位置也发生了变化。 关键词：平板式 SOFC；有限元；热应力；热膨胀系数；温度梯度 中图分类号：TM911 FINITE ELEMENT ANALYSIS OF THERMAL STRESS IN ELECTROLYTE SUPPORTED PLANAR SOFC WANG Hui1, XU Han1,2, DANG Zheng1, BAI BoFeng2 (1. Dept.ofBuilding Environment and Equipment Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China; 2. School of Energy and Power Engineering ,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China) Abstract: Thermal stress of the solid oxide fuel cell (SOFC) operating at high temperature appears because of the temperature gradient and the thermal expansion coefficient mismatch of its components. A three-dimensional finite element model is developed to predict the thermal stress in a single cell of electrolyte-support planar SOFC unit under uniform temperature and non-uniform temperature distributions respectively. The results show that, for uniform temperature field, the maximum thermal stress occurs at the interface of the anode and electrolyte, the maximum thermal stress is related to the thermal expansion coefficient of materials and the geometric size of the cell. Compared with the uniform temperature field, the non-uniform temperature field results in greater thermal stress and the location of the maximum thermal stress also changes. Key words: planar SOFC; Finite Element Analysis; thermal stress; coefficient of thermal expansion ; temperature gradient? 35 0 引言 简固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环 [1] 可靠性已经成为制约其应用的重要因素。工作状态下，SOFC 内部温度比较高（600~1000℃） 40 且分布不均匀[2]，由于电池的核心部件电极、电解质三层结构间的热膨胀系数不匹配，从而 导致电池产生变形并产生热应力，热应力有可能导致材料失效进而影响电池的工作寿命。因 基金项目：国家自然科学基金；教育部博士点基金（20090201120076）；西安交通大学校内 科研基金（xjj2009031） 作者简介：王慧（1987-），男，硕士生，从事固体氧化物燃料电