微管固体氧化物燃料电池工作温度热应力分析(附件)【字数：19886】
摘 要摘 要固体氧化物燃料电池（SOFC）由于具有高发电效率、燃料灵活、低排放等优势，是各国竞相发展的新能源技术。其中微管式固体氧化物燃料电池（MT-SOFC）拥有体积能量密度高、结构密封性强、抗热震性能好等诸多特点。MT-SOFC阳极、阴极和电解质的厚度选取与MT-SOFC的稳定性密切相关。同时，组成电极和电解质的不同材料间热膨胀系数差异会在烧结和工作时产生应力，对MT-SOFC的稳定性产生影响。本文利用模拟仿真技术建立多物理场模型，对MT-SOFC工作温度热应力进行分析，主要包括以下几部分内容第一章首先对燃料电池（fuel cell）进行简单介绍，然后介绍固体氧化物燃料电池（SOFC）的特点、原理和基本结构，最后对微管固体氧化物燃料电池（MT-SOFC）的特点以及现阶段研究情况加以概述。第二章建立了MT-SOFC模型，详细介绍了模型的控制方程、几何结构和材料性质参数，并对模型的建立过程进行了详尽描述，最后对损伤几率的分析方法-weibull分析法进行了说明，为接下来的应力、损伤分析奠定了基础。第三章主要讨论了阳极、阴极和电解质厚度变化对MT-SOFC阳极、阴极和电解质所受应力的影响规律，并对比了室温和工作温度下MT-SOFC阳极、阴极和电解质所受应力的差异。计算结果表明阳极厚度增加会使本身应力减小而使阴极和电解质应力增加；阴极和电解质厚度增加会使本身应力减小而使阳极应力增加。第四章研究了阳极、阴极和电解质厚度变化对MT-SOFC电极与电解质损伤几率的影响，并分析了MT-SOFC阳极、阴极和电解质在室温和工作温度下损伤几率的区别。研究发现MT-SOFC阴极和电解质的损伤几率可以忽略不计，阳极的损伤几率在室温下取值较大，故只要阳极损伤几率在室温下满足标准即可满足MT-SOFC稳定性的要求。第五章探求了判定MT-SOFC稳定性的依据，研究了在MT-SOFC稳定性满足要求时阳极、阴极和电解质三者之间的函数关系，最后给出最小阳极厚度和最大阴极厚度公式，为MT-SOFC的设计提供建议。结论部分对全文进行了简单的总结。关键词MT-SOFC；工作温度；应力；损伤几率；厚度配合
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究及开发燃料电池的意义 1
1.2燃料电池简介 1
1.2.1 燃料电池的原理 1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
1.2.2 燃料电池的组成部分 2
1.2.3 燃料电池的特点及分类 3
1.3固体氧化物燃料电池（SOFC） 4
1.3.1固体氧化物燃料电池的特点 4
1.3.2 SOFC工作原理 5
1.3.3 SOFC的基本结构形式与其特征 5
1.4微管固体氧化物燃料电池（MTSOFC） 7
1.4.1 MTSOFC的介绍 8
1.4.2 MTSOFC存在的挑战和应用前景 8
第二章 MTSOFC模型的构建 10
2.1 相关理论与数值模型 10
2.1.1材料的机械性能 10
2.1.2 结构力学关系 11
2.1.2 Weibull分析法与抗压强度 12
2.1.3 有限元分析法 13
2.2模型构建过程 14
第三章 MTSOFC应力分析 21
3.1阳极厚度对应力的影响 21
3.2阴极厚度对应力的影响 23
3.3 电解质厚度对应力的影响 25
3.4 本章小结 27
第四章 MTSOFC损伤几率分析 29
4.1 阳极厚度对损伤几率的影响 29
4.2 阴极厚度对损伤几率的影响 31
4.3 电解质厚度对损伤几率的影响 33
4.4 本章小结 35
第五章 MTSOFC稳定性判据 36
5.1 最小阳极厚度 36
5.2 MTSOFC压缩应力与抗压强度 39
5.3 MTSOFC稳定性判据 40
5.5 本章小结 47
结论 48
致谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 研究及开发燃料电池的意义
能源是人类社会发展的基石，是世界前进的动力和保证。随着全球工业化的进程以及人类生活水平的不断提高，对于能源的需求日益增长，达到了令人咋舌的水平。自第一次工业革命以来，人来的发展已经与能源技术的革新休戚相关，它已然成为了人类文明前进和发展的支柱，甚至为了能源的争夺爆发了战争。
但是，随着时间的不断推移，尤其是进入21世纪以来，人们越发的发现对于能源需求的吃紧。首先是人口成几何数量的增加以及能源来源的单一性导致了能源的消耗持续的走高且后补十分的困难，传统的化石能源可以说是用一天少一份，人类似乎已经看到了这些传统能源的枯竭之日；其次，过去的100年是人类发展速度前所未有的巅峰，但是随之而来的却是对环境的巨大的甚至是不可逆的破坏，这样的发展显然是不科学的。在强调环保以及可持续发展的今天，所谓的传统能源就越发的和现行的理念格格不入，难以适应人类生存发展的需要。综合以上几点来考虑，目前人类所遇到的瓶颈即是能源需求的持续增长与与之而产生的巨大环境问题之间的矛盾。解决之道则是需要改善能源结构，大力开发和研究清洁能源技术，而燃料电池技术正是符合以上几点需求的清洁能源技术[1]
近年来，燃料电池（fuel cell）技术因其高效、无污染、无噪音等优点而备受关注。它环保、安全、适应性强，因而备受人们青睐。这种装置可以将燃料中储存的化学能直接转化成电能并加以使用，燃料电池的最大特点是因没有燃烧过程的存在所以其能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，效率可达60%80%[2,3]。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称为SOFC）是第三代燃料电池，同时有着绿色环保、全固态结构、燃料兼容性高等优点。其中，微管固体氧化物燃料电池（Micro Tubular Solid Oxide Fuel Cell，简称为MTSOFC）更是具有便携与灵活的优点，能做到快速启动，且能量比高，现在发展十分迅速，具有很好的应用前景。
1.2燃料电池简介
1.2.1 燃料电池的原理
人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等。燃料电池和普通电池相比，既有相似，又有很大的差异。它们有着相似的发电原理，在结构上都具有电解质，电极和正负极连接端子。二者的不同之处在于，燃料电池不是一个储存电能的装置，实际上是一种发电装置，它所需的化学燃料也不储存于电池内部，而是从外部供应。在燃料电池中，反应物燃料及氧化剂可以源源不断地供给电极，只要使电极在电解质中处于分隔状态，那么反应产物可同时连续不断地从电池排出，同时相应连续不断地输出电能和热能，这便利了燃料的补充，从而电池可以长时间甚至不间断地工作。人们之所以称它为燃料电池，只是由于在结构形式上与电池有某种类似:外特性像电池，随负荷的增加，它的输出电压下降
燃料电池实际上是一个化学反应器，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的工作不只靠电池本身， 还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整的燃料电池系统。它的基本原理相当于电解反应的逆向反应，即水的合成反应。燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能够通过二电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。当电极同外部负载构成回路时，就可向外供电（发电）。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究及开发燃料电池的意义 1
1.2燃料电池简介 1
1.2.1 燃料电池的原理 1
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1.2.2 燃料电池的组成部分 2
1.2.3 燃料电池的特点及分类 3
1.3固体氧化物燃料电池（SOFC） 4
1.3.1固体氧化物燃料电池的特点 4
1.3.2 SOFC工作原理 5
1.3.3 SOFC的基本结构形式与其特征 5
1.4微管固体氧化物燃料电池（MTSOFC） 7
1.4.1 MTSOFC的介绍 8
1.4.2 MTSOFC存在的挑战和应用前景 8
第二章 MTSOFC模型的构建 10
2.1 相关理论与数值模型 10
2.1.1材料的机械性能 10
2.1.2 结构力学关系 11
2.1.2 Weibull分析法与抗压强度 12
2.1.3 有限元分析法 13
2.2模型构建过程 14
第三章 MTSOFC应力分析 21
3.1阳极厚度对应力的影响 21
3.2阴极厚度对应力的影响 23
3.3 电解质厚度对应力的影响 25
3.4 本章小结 27
第四章 MTSOFC损伤几率分析 29
4.1 阳极厚度对损伤几率的影响 29
4.2 阴极厚度对损伤几率的影响 31
4.3 电解质厚度对损伤几率的影响 33
4.4 本章小结 35
第五章 MTSOFC稳定性判据 36
5.1 最小阳极厚度 36
5.2 MTSOFC压缩应力与抗压强度 39
5.3 MTSOFC稳定性判据 40
5.5 本章小结 47
结论 48
致谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 研究及开发燃料电池的意义
能源是人类社会发展的基石，是世界前进的动力和保证。随着全球工业化的进程以及人类生活水平的不断提高，对于能源的需求日益增长，达到了令人咋舌的水平。自第一次工业革命以来，人来的发展已经与能源技术的革新休戚相关，它已然成为了人类文明前进和发展的支柱，甚至为了能源的争夺爆发了战争。
但是，随着时间的不断推移，尤其是进入21世纪以来，人们越发的发现对于能源需求的吃紧。首先是人口成几何数量的增加以及能源来源的单一性导致了能源的消耗持续的走高且后补十分的困难，传统的化石能源可以说是用一天少一份，人类似乎已经看到了这些传统能源的枯竭之日；其次，过去的100年是人类发展速度前所未有的巅峰，但是随之而来的却是对环境的巨大的甚至是不可逆的破坏，这样的发展显然是不科学的。在强调环保以及可持续发展的今天，所谓的传统能源就越发的和现行的理念格格不入，难以适应人类生存发展的需要。综合以上几点来考虑，目前人类所遇到的瓶颈即是能源需求的持续增长与与之而产生的巨大环境问题之间的矛盾。解决之道则是需要改善能源结构，大力开发和研究清洁能源技术，而燃料电池技术正是符合以上几点需求的清洁能源技术[1]
近年来，燃料电池（fuel cell）技术因其高效、无污染、无噪音等优点而备受关注。它环保、安全、适应性强，因而备受人们青睐。这种装置可以将燃料中储存的化学能直接转化成电能并加以使用，燃料电池的最大特点是因没有燃烧过程的存在所以其能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，效率可达60%80%[2,3]。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称为SOFC）是第三代燃料电池，同时有着绿色环保、全固态结构、燃料兼容性高等优点。其中，微管固体氧化物燃料电池（Micro Tubular Solid Oxide Fuel Cell，简称为MTSOFC）更是具有便携与灵活的优点，能做到快速启动，且能量比高，现在发展十分迅速，具有很好的应用前景。
1.2燃料电池简介
1.2.1 燃料电池的原理
人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等。燃料电池和普通电池相比，既有相似，又有很大的差异。它们有着相似的发电原理，在结构上都具有电解质，电极和正负极连接端子。二者的不同之处在于，燃料电池不是一个储存电能的装置，实际上是一种发电装置，它所需的化学燃料也不储存于电池内部，而是从外部供应。在燃料电池中，反应物燃料及氧化剂可以源源不断地供给电极，只要使电极在电解质中处于分隔状态，那么反应产物可同时连续不断地从电池排出，同时相应连续不断地输出电能和热能，这便利了燃料的补充，从而电池可以长时间甚至不间断地工作。人们之所以称它为燃料电池，只是由于在结构形式上与电池有某种类似:外特性像电池，随负荷的增加，它的输出电压下降
燃料电池实际上是一个化学反应器，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的工作不只靠电池本身， 还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整的燃料电池系统。它的基本原理相当于电解反应的逆向反应，即水的合成反应。燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能够通过二电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。当电极同外部负载构成回路时，就可向外供电（发电）。
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