热膨胀系数随温度变化对微管固体氧化物燃料电池残余应力的影响(附件)【字数：15030】
摘 要摘 要目前随着社会发展，人类日益增长的物质需求与日趋枯竭的化石能源、破坏严重的生态环境之间的矛盾愈加凸显，新能源的开发与利用成为一个炙手可热的话题。在诸多新能源技术中，燃料电池作为一种新型的发电技术，以其高效、环保、安全、适应性强的特点，备受人们青睐。而固体氧化物燃料电池（SOFC）性能较之其它尤显优异。微管式固体氧化物燃料电池（MT-SOFC）具有体积功率密度较大、升降温速率高、机械性能更强、便携性和移动性好等诸多优势，是燃料电池领域的最新研究成果。然而其在烧结过程中受温度变化及各层热膨胀系数差异影响，会产生较高残余应力，损伤几率过高。本文主要研究了热膨胀系数随温度变化对微管固体氧化物燃料电池残余应力的影响。介绍了燃料电池背景、工作原理、种类及特点、发展历史等基础知识，着重介绍了固体氧化物燃料电池（SOFC）的特点、结构形式以及其研究现状。建立了热膨胀系数随温度变化与不随温度变化的两个MT-SOFC模型，详细介绍了建模的过程。基于第二章所建立的MT-SOFC二维轴对称模型，分析了阳极厚度变化、电解质厚度变化对各层残余应力的影响，并对比分析了热膨胀系数随温度变化与热膨胀系数为定值的两种状况对结果的影响。发现层厚度增加使本层残余应力减小，相邻层残余应力增大，考虑热膨胀系数变化比不考虑其变化计算所得结果小。分析了阳极厚度变化、电解质厚度变化对各层损伤几率的影响，探究每一种电解质厚度下阳极的理想厚度，并对比分析了热膨胀系数随温度变化与热膨胀系数为定值的两种状况对结果的影响。发现阳极厚度增大会使损伤几率减小，电解质厚度增大会使损伤几率增加，考虑热膨胀系数变化比不考虑其变化计算所得结果小。结论部分对全文进行了总结。关键词MT-SOFC，热膨胀系数，残余应力，损伤几率
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 工作原理与特点 2
1.3 燃料电池种类及各自特点 5
1.4 SOFC的工作原理与结构形式 7
1.5 MTSOFC特点、现状与发展前景 10
1.6 燃料电池发展历史、现状与未来展望 12
第二章 MTSOFC建模 14
2.1 模型的建立 14
2.1.1 参数的设定 14
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
1.2 绘制几何 15
2.1.3 增加材料 16
2.1.4 增加固体力学场 17
2.1.5 增加网格 18
2.2 模型的计算 19
2.3 绘制主应力 21
第三章 MTSOFC残余应力分析 23
3.1 弹性体的应力与应变 23
3.1.1 应力 23
3.1.2 应变 24
3.2 结构力学模型 26
3.2.1 本构方程 26
3.2.2 材料力学性质 26
3.3 阳极厚度对残余应力影响 27
3.4 电解质厚度对残余应力影响 29
3.5 热膨胀系数对计算结果影响 30
3.6 本章小结 31
第四章 MTSOFC损伤几率分析 33
4.1 陶瓷材料损伤几率 33
4.2 阳极厚度对损伤几率影响 33
4.3 电解质厚度对损伤几率影响 35
4.4 热膨胀系数对计算结果影响 36
4.5 本章小结 38
总 结 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
第一章 绪论
1.1 研究背景
第一次工业革命，将人类带入一个全新的时代——工业时代，从此人类的生活发生了天翻地覆的变化，也诞生了一个崭新的词汇——能源；第二次工业革命，将人类带入电气时代，从此，电能走进了人类的视野。数百年来，人类发电的方式数度变革，从最开始的伏特电池，到法拉第的手摇发电机，再到后来普遍的化石能源发电，使得电能逐渐成为现代工业社会的骨干。现如今，随着科技发展与现代化社会进程的高速推进，人类逐渐地认识到了传统发电方式中所存在的弊端。第一，储存于燃料之中的化学能必须首先转变为热能，然后转换为机械能，最后转变为电能，受卡诺循环以及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33%~35%；第二，化石能源在燃烧及处理过程中不可避免地产生了大量的废气、废水、废渣等污染物，同时伴随有巨大噪声并造成温室效应，对人类的生活环境造成严重破坏；第三，随着人口急剧膨胀，需求日益增大，传统化石能源面临枯竭。在这样的背景下，新能源的开发与利用就成为了一个迫在眉睫的问题。
新能源，即具有可再生性、安全环保且高效的能源。一大批新能源如太阳能、风能、水能、生物质能、核能、地热能正在人们积极地研究与开发下迸发出年轻的活力。在众多的新能源技术中，燃料电池作为一种新型的发电技术，以其高效、环保、安全、适应性强的特点，备受人们青睐。燃料电池可以直接将燃料之中的化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，其燃料——电能转换效率可达45%~60%，发电效率远远高于以化学能——热能——机械能——电能为模式的传统发电方式，且不会产生NOx、SOx等污染物。同时，燃料电池可以是理想的全固态机械结构，其内部结构相对静止，故不会产生噪声，且使用寿命长。燃料电池体积小、建设周期短，可以根据需要由电池堆组装来改变电站功率，不受环境因素限制，可依靠补充燃料而随时充电，十分方便。可以这么说，在如今各项新能源技术中，没有一项能源生成技术能够如燃料电池一样将诸多优点集于一身。
根据电解质的不同，燃料电池可分为五类：磷酸盐燃料电池（PAFC）、聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中，固体氧化物燃料电池（以下简称SOFC）是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统，同时有着绿色环保、全固态结构、燃料兼容性高等优点，引起各国科学家的广泛兴趣。
由于单节SOFC只产生1V左右的电压，输出功率十分有限。因此若想获得大功率SOFC，就必须将若干个单节电池以串联、并联或者混联的方式组装起来。目前最常见的两种结构形式为管式结构和平板式结构，此外还有串节式和整体式[1]。
在平板式结构电池组中，电池串联连接，结构简单；功率密度较高；相比于其他方式电池几何形状和通气管道有更多选择；组元分别组装，电池质量易于控制；成本低，适合大规模生产。然而其缺点也十分明显，就是密封问题尚未得到妥善解决，压紧式密封会造成应力；除此之外还有接触电阻较高、大面积薄陶瓷制作困难等问题。管式结构是最早发展的一种结构形式，无需密封部件，热应力对其影响较小，电池之间易于连接，是目前较为成熟的一种形式。
微管式（micro tubular）固体氧化物燃料电池（以下简称MTSOFC）是管式结构上的微型化，其直径通常在0.5~2mm之间。相较于普通SOFC，其优势十分明显[2]：其相对表面积较大，传质效率和体积功率密度较大，升降温速率大大提高，力学性能加强，受热应力影响大大减小，并且在便携性和移动性上具有较大优势，可用作车辆电源、单人便携电源、野外电源、不间断电源等[35]，受到国内外科学家的广泛青睐。
MTSOFC不足之处在于：需要高活性的电极与高电导率的电解质；需要更高机械强度的材料；电池组装困难。以上几点限制了MTSOFC的输出功率，若要将其应用于实际生活，尚需要突破许多困难，依赖于科研工作者的努力。
1.2 工作原理与特点
（1） 工作原理
燃料电池，即将燃料与氧化剂发生化学反应所产生的化学能转化为电能的一种发电装置。燃料电池兼具了传统电池与内燃机的性能。与传统电池相比的不同之处在于，只要燃料能够供给，燃料电池就能源源不断地产生电能，改善电池性能的同时又节约了材料；与内燃机相比的不同之处在于，在内燃机中，燃料之中的化学能首先以燃烧的形式转换为热能，然后才能转换为机械能或电能；而燃料电池可将化学能直接转换为电能，大大提高了能量转换效率。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 工作原理与特点 2
1.3 燃料电池种类及各自特点 5
1.4 SOFC的工作原理与结构形式 7
1.5 MTSOFC特点、现状与发展前景 10
1.6 燃料电池发展历史、现状与未来展望 12
第二章 MTSOFC建模 14
2.1 模型的建立 14
2.1.1 参数的设定 14
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
1.2 绘制几何 15
2.1.3 增加材料 16
2.1.4 增加固体力学场 17
2.1.5 增加网格 18
2.2 模型的计算 19
2.3 绘制主应力 21
第三章 MTSOFC残余应力分析 23
3.1 弹性体的应力与应变 23
3.1.1 应力 23
3.1.2 应变 24
3.2 结构力学模型 26
3.2.1 本构方程 26
3.2.2 材料力学性质 26
3.3 阳极厚度对残余应力影响 27
3.4 电解质厚度对残余应力影响 29
3.5 热膨胀系数对计算结果影响 30
3.6 本章小结 31
第四章 MTSOFC损伤几率分析 33
4.1 陶瓷材料损伤几率 33
4.2 阳极厚度对损伤几率影响 33
4.3 电解质厚度对损伤几率影响 35
4.4 热膨胀系数对计算结果影响 36
4.5 本章小结 38
总 结 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
第一章 绪论
1.1 研究背景
第一次工业革命，将人类带入一个全新的时代——工业时代，从此人类的生活发生了天翻地覆的变化，也诞生了一个崭新的词汇——能源；第二次工业革命，将人类带入电气时代，从此，电能走进了人类的视野。数百年来，人类发电的方式数度变革，从最开始的伏特电池，到法拉第的手摇发电机，再到后来普遍的化石能源发电，使得电能逐渐成为现代工业社会的骨干。现如今，随着科技发展与现代化社会进程的高速推进，人类逐渐地认识到了传统发电方式中所存在的弊端。第一，储存于燃料之中的化学能必须首先转变为热能，然后转换为机械能，最后转变为电能，受卡诺循环以及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33%~35%；第二，化石能源在燃烧及处理过程中不可避免地产生了大量的废气、废水、废渣等污染物，同时伴随有巨大噪声并造成温室效应，对人类的生活环境造成严重破坏；第三，随着人口急剧膨胀，需求日益增大，传统化石能源面临枯竭。在这样的背景下，新能源的开发与利用就成为了一个迫在眉睫的问题。
新能源，即具有可再生性、安全环保且高效的能源。一大批新能源如太阳能、风能、水能、生物质能、核能、地热能正在人们积极地研究与开发下迸发出年轻的活力。在众多的新能源技术中，燃料电池作为一种新型的发电技术，以其高效、环保、安全、适应性强的特点，备受人们青睐。燃料电池可以直接将燃料之中的化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，其燃料——电能转换效率可达45%~60%，发电效率远远高于以化学能——热能——机械能——电能为模式的传统发电方式，且不会产生NOx、SOx等污染物。同时，燃料电池可以是理想的全固态机械结构，其内部结构相对静止，故不会产生噪声，且使用寿命长。燃料电池体积小、建设周期短，可以根据需要由电池堆组装来改变电站功率，不受环境因素限制，可依靠补充燃料而随时充电，十分方便。可以这么说，在如今各项新能源技术中，没有一项能源生成技术能够如燃料电池一样将诸多优点集于一身。
根据电解质的不同，燃料电池可分为五类：磷酸盐燃料电池（PAFC）、聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中，固体氧化物燃料电池（以下简称SOFC）是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统，同时有着绿色环保、全固态结构、燃料兼容性高等优点，引起各国科学家的广泛兴趣。
由于单节SOFC只产生1V左右的电压，输出功率十分有限。因此若想获得大功率SOFC，就必须将若干个单节电池以串联、并联或者混联的方式组装起来。目前最常见的两种结构形式为管式结构和平板式结构，此外还有串节式和整体式[1]。
在平板式结构电池组中，电池串联连接，结构简单；功率密度较高；相比于其他方式电池几何形状和通气管道有更多选择；组元分别组装，电池质量易于控制；成本低，适合大规模生产。然而其缺点也十分明显，就是密封问题尚未得到妥善解决，压紧式密封会造成应力；除此之外还有接触电阻较高、大面积薄陶瓷制作困难等问题。管式结构是最早发展的一种结构形式，无需密封部件，热应力对其影响较小，电池之间易于连接，是目前较为成熟的一种形式。
微管式（micro tubular）固体氧化物燃料电池（以下简称MTSOFC）是管式结构上的微型化，其直径通常在0.5~2mm之间。相较于普通SOFC，其优势十分明显[2]：其相对表面积较大，传质效率和体积功率密度较大，升降温速率大大提高，力学性能加强，受热应力影响大大减小，并且在便携性和移动性上具有较大优势，可用作车辆电源、单人便携电源、野外电源、不间断电源等[35]，受到国内外科学家的广泛青睐。
MTSOFC不足之处在于：需要高活性的电极与高电导率的电解质；需要更高机械强度的材料；电池组装困难。以上几点限制了MTSOFC的输出功率，若要将其应用于实际生活，尚需要突破许多困难，依赖于科研工作者的努力。
1.2 工作原理与特点
（1） 工作原理
燃料电池，即将燃料与氧化剂发生化学反应所产生的化学能转化为电能的一种发电装置。燃料电池兼具了传统电池与内燃机的性能。与传统电池相比的不同之处在于，只要燃料能够供给，燃料电池就能源源不断地产生电能，改善电池性能的同时又节约了材料；与内燃机相比的不同之处在于，在内燃机中，燃料之中的化学能首先以燃烧的形式转换为热能，然后才能转换为机械能或电能；而燃料电池可将化学能直接转换为电能，大大提高了能量转换效率。
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