不同电池材料对微管固体氧化物燃料电池残余应力的影响(附件)【字数：13267】
摘 要摘 要目前人类社会正面临着全球性能源枯竭与环境恶化日益严重的双重压力，改变传统能源利用方式已迫在眉睫。因此我们需要寻求新型的优质能源并研制出先进的能源利用技术，并完成能源利用方式的转型，已是刻不容缓。固体氧化物燃料电池（SOFC）具有零排放、低噪音、燃料多样化、可靠性高及适用范围广等优点，被认为是21世纪最为绿色环保的重要的发电技术之一。第一章主要介绍了燃料电池的简史及工作原理、燃料电池的分类、SOFC的工作原理及分类及国内外的研究现状。第二章主要是介绍了SOFC的阳极、电解质与阴极的材料的性能要求以及介绍了阳极、电解质与阴极常用的材料。第三章介绍了微管SOFC二维轴对称模型，应力、应变、以及损伤几率计算方法，并对计算结果进行了验证。第四章分析了三种不同材料电池（阳极/电解质/阴极），电池A(Ni-3YSZ/3YSZ/LSM-3YSZ)、电池B(Ni-8YSZ/8YSZ/LSM-8YSZ)、电池C(Ni-GDC/GDC/GDC-LSCF)对电池残余应力及其损伤几率的影响。发现电解质与阴极损伤几率可以忽略不计，从阳极损伤几率的影响考虑，电池B表现得最为优异，其次是电池A，再次是电池C。结论部分对全文进行了总结。关键词微管SOFC；应力；损伤几率；
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 燃料电池简史及工作原理 1
1.2.1 燃料电池的发展史 1
1.2.2 国内外研究现状 3
1.2.3 燃料电池的基本工作原理 4
1.3 燃料电池的优势及缺点 7
1.4固体氧化物燃料电池工作原理及分类 8
第二章 固体氧化物燃料电池材料 11
2.1 阳极材料 11
2.2 阴极材料 12
2.3 电解质材料 13
第三章 燃料电池模型 15
3.1 应力 15
3.2 应变 16
3.3 结构力学模型 18
3.3.1 本构方程 18
3.4 材料的力学性质 19
3.5 损伤几率分析 20
3.6 模型 21
3.6.1 模型结构与参数 21 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.6.2 模型的验证 22
第四章 残余应力与损伤几率的分析 24
4.1 应力分析 24
4.1.1 不同电池材料对阳极最大残余应力的影响 24
4.1.2 不同电池材料对电解质最大残余应力的影响 26
4.1.3 不同电池材料对阴极最大残余应力的影响 27
4.2 损伤几率 29
4.2.1 不同电池材料对阳极损伤几率的影响 29
4.2.2 不同电池材料对电解质极损伤几率的影响 31
4.2.3 不同电池材料对阴极损伤几率的影响 32
总结 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景
能源的利用推动了社会经济的进步和改善了人民生活品质。随着人类社会的发展和科学技术的进步，大大地提高了社会生产力，反过来推动能源体系的发展与完善，但同时人们对能源的需求也在日益增加。为了维持经济的高速发展和保证人们的生活质量，人类对能源需求的急骤增加，因此大量地开采矿产石油资源。但人类社会传统的、无节制的、掠夺性的自然资源开采模式对生态环境的破坏，已经严重超过了环境的自我调节能力与承载能力。
目前人类社会正面临着全球性能源枯竭与环境恶化日益严重的双重压力，改变传统能源利用方式已迫在眉睫。我们需要寻求新型的优质能源并研制出先进的能源使用技术，以完成能源利用方式的转型。目前，太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能、地热能等新型的、干净、清洁的能源的能源利用技术已经得到了一定的发展。燃料电池在众多的新能源利用技术中脱颖而出，宛如一颗耀眼的璀璨新星。燃料电池的能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，理论能量转化效率高于90%。即使实际运行中受到各种不利因素的影响，其能量转化效率也高达6080%，是普通内燃机的23倍。此外，燃料电池还具有零排放、低噪音、燃料多样化、可靠性高及适用范围广等优点。燃料电池被认为是21世纪最为绿色环保的重要的发电途径之一。
1.2 燃料电池简史及工作原理
1.2.1 燃料电池的发展史
1839年William Robert Grove受到水解过程逆反应的启发，水电解会产生氢气和氧气，他将其电化学反应逆发生便能产生了电能。如图11所示，把两个铂电极放在两只密封的试管中，一只内充满氧气，另一只内则充满氢气，将两只试管放入硫酸溶液中，两极间便发现有电流的流动。为了提高该装置发出的电压，便将四组装置串联，此项装置就是世界上公认的第一台燃料电池。
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图11 第一台燃料电池
1889年英国化学家Langer和Mond尝试用工业煤气与空气制造第一台实用装置，获得了0.2A/cm2的电流密度，并首次采用燃料电池名称[1]。
1899年Nernst提出在燃料电池中使用固态氧化物电解质。
1897年Walther Nernst研制出了氧化锆稳定氧化钇的电解质层，并成功地制成了“能斯脱灯”，但“能斯脱灯”并没有得到实际的应用。
1921年Baur等对以熔融碳酸盐为电解质进行试验研究。
1937年埃米尔.鲍尔和菲瑞斯研制出第一台固体氧化物燃料电池（SOFC）。
1940年俄罗斯人O.K.Davtyan尝试对SOFC进行改进。
1959年英国剑桥大学教授Francis T.Bacon制造出了功率高达5kW的高压氢氧燃料电池组（工作温度为150°C），能够推动电锯、电焊机等大功率负载，也使得燃料电池技术能得以走出实验室。后经美国通用公司加以改进，并成功地应用于Apollo登月飞船，为飞船系统提供电力。
20世纪60年代初，由于航天和军事方面的需求，燃料电池的研究得到迅猛地发展。NASA和GE联合开发PEFMC发电机，实现了燃料电池的第一次商业化。1965年燃料电池成功地为双子星5号太空船电力系统提供电力，因其产物为纯净的水又为宇航员提供了饮用水。
20世纪70年代德国就已经成功研制出管式SOFC并能连续运行3400h。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 燃料电池简史及工作原理 1
1.2.1 燃料电池的发展史 1
1.2.2 国内外研究现状 3
1.2.3 燃料电池的基本工作原理 4
1.3 燃料电池的优势及缺点 7
1.4固体氧化物燃料电池工作原理及分类 8
第二章 固体氧化物燃料电池材料 11
2.1 阳极材料 11
2.2 阴极材料 12
2.3 电解质材料 13
第三章 燃料电池模型 15
3.1 应力 15
3.2 应变 16
3.3 结构力学模型 18
3.3.1 本构方程 18
3.4 材料的力学性质 19
3.5 损伤几率分析 20
3.6 模型 21
3.6.1 模型结构与参数 21 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.6.2 模型的验证 22
第四章 残余应力与损伤几率的分析 24
4.1 应力分析 24
4.1.1 不同电池材料对阳极最大残余应力的影响 24
4.1.2 不同电池材料对电解质最大残余应力的影响 26
4.1.3 不同电池材料对阴极最大残余应力的影响 27
4.2 损伤几率 29
4.2.1 不同电池材料对阳极损伤几率的影响 29
4.2.2 不同电池材料对电解质极损伤几率的影响 31
4.2.3 不同电池材料对阴极损伤几率的影响 32
总结 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景
能源的利用推动了社会经济的进步和改善了人民生活品质。随着人类社会的发展和科学技术的进步，大大地提高了社会生产力，反过来推动能源体系的发展与完善，但同时人们对能源的需求也在日益增加。为了维持经济的高速发展和保证人们的生活质量，人类对能源需求的急骤增加，因此大量地开采矿产石油资源。但人类社会传统的、无节制的、掠夺性的自然资源开采模式对生态环境的破坏，已经严重超过了环境的自我调节能力与承载能力。
目前人类社会正面临着全球性能源枯竭与环境恶化日益严重的双重压力，改变传统能源利用方式已迫在眉睫。我们需要寻求新型的优质能源并研制出先进的能源使用技术，以完成能源利用方式的转型。目前，太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能、地热能等新型的、干净、清洁的能源的能源利用技术已经得到了一定的发展。燃料电池在众多的新能源利用技术中脱颖而出，宛如一颗耀眼的璀璨新星。燃料电池的能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，理论能量转化效率高于90%。即使实际运行中受到各种不利因素的影响，其能量转化效率也高达6080%，是普通内燃机的23倍。此外，燃料电池还具有零排放、低噪音、燃料多样化、可靠性高及适用范围广等优点。燃料电池被认为是21世纪最为绿色环保的重要的发电途径之一。
1.2 燃料电池简史及工作原理
1.2.1 燃料电池的发展史
1839年William Robert Grove受到水解过程逆反应的启发，水电解会产生氢气和氧气，他将其电化学反应逆发生便能产生了电能。如图11所示，把两个铂电极放在两只密封的试管中，一只内充满氧气，另一只内则充满氢气，将两只试管放入硫酸溶液中，两极间便发现有电流的流动。为了提高该装置发出的电压，便将四组装置串联，此项装置就是世界上公认的第一台燃料电池。
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图11 第一台燃料电池
1889年英国化学家Langer和Mond尝试用工业煤气与空气制造第一台实用装置，获得了0.2A/cm2的电流密度，并首次采用燃料电池名称[1]。
1899年Nernst提出在燃料电池中使用固态氧化物电解质。
1897年Walther Nernst研制出了氧化锆稳定氧化钇的电解质层，并成功地制成了“能斯脱灯”，但“能斯脱灯”并没有得到实际的应用。
1921年Baur等对以熔融碳酸盐为电解质进行试验研究。
1937年埃米尔.鲍尔和菲瑞斯研制出第一台固体氧化物燃料电池（SOFC）。
1940年俄罗斯人O.K.Davtyan尝试对SOFC进行改进。
1959年英国剑桥大学教授Francis T.Bacon制造出了功率高达5kW的高压氢氧燃料电池组（工作温度为150°C），能够推动电锯、电焊机等大功率负载，也使得燃料电池技术能得以走出实验室。后经美国通用公司加以改进，并成功地应用于Apollo登月飞船，为飞船系统提供电力。
20世纪60年代初，由于航天和军事方面的需求，燃料电池的研究得到迅猛地发展。NASA和GE联合开发PEFMC发电机，实现了燃料电池的第一次商业化。1965年燃料电池成功地为双子星5号太空船电力系统提供电力，因其产物为纯净的水又为宇航员提供了饮用水。
20世纪70年代德国就已经成功研制出管式SOFC并能连续运行3400h。
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