固体氧化物燃料电池对称电极应力分析(附件)【字数：17614】
摘 要摘 要固体氧化物对称电极以其新颖的结构解决了燃料电池中薄电极对于电池性能的影响，但是由于组成燃料电池的材料多为脆性材料，并且燃料电池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，应力过大可能会使电池损坏。本文主要研究了固体氧化物燃料电池对称电极的应力分析。 第一章简单介绍了燃料电池的背景，类型以及燃料电池的优缺点，对固体氧化物燃料电池（SOFC）的分类和特点、固体氧化物燃料电池对称电极的背景做了简单的介绍。 第二章介绍了建模的理论依据包括材料力学结构控制方程和材料力学性质。用comsol multiphsics软件建立SOFC模型，并详细介绍了建模的具体过程，计算出模型中阳极，电解质和阴极的残余应力，并计算出了阳极损伤率。从中可以初步看出阳极所受最大应力为拉应力，电解质和阴极所受最大应力为压应力。第三章基于第二章所建立的SOFC三维模型，研究了电极厚度和电解质厚度对阳极，阴极和电解质应力的影响规律。电极厚度增大，阳极所受最大拉应力减小，电解质和阴极所受最大压应力增大，电解质厚度增大，阳极所受最大拉应力增大，电解质和阴极所受最大压应力减小。第四章分析了电极厚度和电解质厚度对阳极损伤几率的影响。计算结果表明随着电极厚度的增大，阳极损伤几率而减小，随着电解质厚度增大时，阳极损伤几率而增加，并且还分析了电解质和阴极实际安全系数的变化规律，随着电极厚度增大，电解质和阴极的实际安全系数而减小，随着电解质厚度增大，电解质和阴极的实际安全系数而增大，并且它们的安全系数都大于一，故电解质和阴极都没有损坏，所以可只考虑阳极结构。探究了每一种电极厚度下对应的最大电解质厚度，得出两者之间的关系为Tmax-e=0.01573Ty+8.638。最后对全文进行了总结归纳。关键词对称电极，残余应力，损伤几率，抗压强度，实际安全系数
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 燃料电池的简单介绍 2
1.3 燃料电池类型及各自的优缺点 3
1.4 SOFC的简单介绍 5
1.5 固体氧化物燃料电池对称电极的背景 7
第二章 模型 9
2.1 理论基础 9
2.1.1 结构力学控制方程 9
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1.2 材料力学性质 10
2.2 模型建立过程 11
2.2.1 参数的设定 11
2.2.2 模型几何结构的建立 12
2.2.3 选择材料 15
2.2.4 加载固体力学场 17
2.2.5 网格划分 18
2.3 模型计算 19
2.4 绘制计算结果 19
第三章 残余应力分析 21
3.1 电极厚度对残余应力的影响 21
3.2 电解质厚度对残余应力影响 24
3.3 本章小结 26
第四章 损伤几率分析 27
4.1 陶瓷材料损伤几率 27
4.2 电极厚度对损伤几率影响 29
4.3 电解质厚度对损伤几率影响 31
4.4 电极厚度与电解质厚度的关系 34
4.5 本章小结 36
总 结 37
致 谢 38
参 考 文 献 39
第一章 绪论
1.1 研究背景
能源问题始终是世界发展过程中面临的一项重大挑战，从上世纪开始，各国加紧对石油等能源的加速开采导致能源迅速减少，而这种不可再生能源的减少也让世界各国认识到了能源问题，为了解决这种突出性的资源问题，新能源的研究以及发展已经成为各国最为重视的研究之一。而我国对新能源的重视也越来越凸现出来，不仅加强了对生物质能，风能，地质能，潮汐能的发展，还对其他一系列新能源得研究表示支持态度。能源的使用在加热，制冷，发电，脱盐和空调方面很重要。研究人员已经做出了许多努力，使能源更加可持续，经济高效，清洁和安全。热力学原理管理能量转换，有效能的概念有助于识别和理解可持续能源选择。
由于世界能源消费预计在未来二十年将会显着上升，所以没有人能否认可再生能源的重要性。此外，对化石燃料的持续需求意味着世界将无法减少大气中的温室气体。在这方面，实施利用可再生能源（如地热，太阳能，生物燃料和生物质）的电厂应该是政府和研究者的兴趣。
在诸多新能源中，燃料电池具有很高的效率[1]，固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，与传统能源不同，它可以把化学能直接转变为电能，这种转变方式省去了传统能源复杂的转化方式，而且相对传统能源来说有着污染较少、建设的成本低、维修费用低等各种各样的诱人特点[24]。
燃料电池的发展在各国的眼中不仅是能源的问题，还关乎这人类的未来，随着世界各国的研究发展，我国对燃料电池的研究也陆续开展起来。虽然我国对燃料电池的研究比一些发达国家要慢，技术水平也较世界先进水平有差距。但是我国的氧化物燃料电池还是取得了一些比较不错的成果。比如说在质子交换膜燃料电池（PEMFC）这种类型电池上面，我国吸取各国的研究经验，取其精华，去其糟粕，现已有着装车的技术水平，可以这样说我国虽然起步晚，但是我们靠着努力与勤奋赶上并领先于世界先进水平。
可以这样说燃料电池的应用在未来是不可避免的，而且它可以减轻不可再生能源的压力[46]，从而为生活用水，用电等各种用电设施提供电力。但是关键问题则是SOFC内的催化剂过于昂贵，因此SOFC的高成本成为制约着燃料电池发展的一个重大原因。今年来，韩国人发现可以用人体尿中的碳原子来代替铂，因为碳与铂有着相似性，这表明在未来很有可能制约燃料的电池的这一个问题会得到解决，燃料电池会得到更好的发展。但是因为燃料电池作为一种新能源还正处于发展阶段，对SOFC的了解还不够深刻，所以更需要我们去积极的探索问题，解决问题。
1.2 燃料电池的简单介绍
1.2.1 工作原理
燃料电池是用于生产电和热的众所周知的电化学装置。它们由阳极和阴极组成，阳极和阴极由分离阳极和阴极气流的电解质膜隔开，并防止它们化学混合和反应。其次，电解质膜起离子选择性膜的作用，可以传导特定类型的离子，从而允许燃料电池发电。不同种类的电解质膜用于不同类型的燃料电池。虽然发电是燃料电池的主要功能，但它们也产生废热。而且，由于燃料电池具有两个独立的出口流，特定组成的出口气体可以用于不同的应用。
下面就来说说燃料电池是怎么完成从化学能转化为电能这一过程的。以简单的氢氧燃料电池为例子来说明燃料电池反应过程的原理以及公式[7]：
（11）
（12）
在上述反应中，氢由于元素的特殊性很容易失去电子，而电子从氢气中游离出来通过一个特殊物质到达燃料电池的另一端与氧气发生反应生成水。所以我们只需要使用一个氢离子能通过，但是不允许电子从空间中通过的物质，这样就可以让电子从外部电路迁移到氧气端，从而完成反应方程式对外做功。在上述反应中，在燃料电池中，在阳极，阴极和电解质的三个元件中发挥氢，氧和它们的分离物质的作用。这样我们就定义了阳极，电解质和阴极的性质。失去电子的一极可以定义为阳极，得到电子的一极可以称为阴极，而电解质是只能允许离子通过而不允许电子通过的特殊物质，并且电解质的作用还可以让两端的化学反应互不影响。使电子从燃料电池的一端到达另一端的动力是浓度差，从浓度大的流向浓度小的，经过这些化学反应后，燃料电池的化学能便转化成了电能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 燃料电池的简单介绍 2
1.3 燃料电池类型及各自的优缺点 3
1.4 SOFC的简单介绍 5
1.5 固体氧化物燃料电池对称电极的背景 7
第二章 模型 9
2.1 理论基础 9
2.1.1 结构力学控制方程 9
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1.2 材料力学性质 10
2.2 模型建立过程 11
2.2.1 参数的设定 11
2.2.2 模型几何结构的建立 12
2.2.3 选择材料 15
2.2.4 加载固体力学场 17
2.2.5 网格划分 18
2.3 模型计算 19
2.4 绘制计算结果 19
第三章 残余应力分析 21
3.1 电极厚度对残余应力的影响 21
3.2 电解质厚度对残余应力影响 24
3.3 本章小结 26
第四章 损伤几率分析 27
4.1 陶瓷材料损伤几率 27
4.2 电极厚度对损伤几率影响 29
4.3 电解质厚度对损伤几率影响 31
4.4 电极厚度与电解质厚度的关系 34
4.5 本章小结 36
总 结 37
致 谢 38
参 考 文 献 39
第一章 绪论
1.1 研究背景
能源问题始终是世界发展过程中面临的一项重大挑战，从上世纪开始，各国加紧对石油等能源的加速开采导致能源迅速减少，而这种不可再生能源的减少也让世界各国认识到了能源问题，为了解决这种突出性的资源问题，新能源的研究以及发展已经成为各国最为重视的研究之一。而我国对新能源的重视也越来越凸现出来，不仅加强了对生物质能，风能，地质能，潮汐能的发展，还对其他一系列新能源得研究表示支持态度。能源的使用在加热，制冷，发电，脱盐和空调方面很重要。研究人员已经做出了许多努力，使能源更加可持续，经济高效，清洁和安全。热力学原理管理能量转换，有效能的概念有助于识别和理解可持续能源选择。
由于世界能源消费预计在未来二十年将会显着上升，所以没有人能否认可再生能源的重要性。此外，对化石燃料的持续需求意味着世界将无法减少大气中的温室气体。在这方面，实施利用可再生能源（如地热，太阳能，生物燃料和生物质）的电厂应该是政府和研究者的兴趣。
在诸多新能源中，燃料电池具有很高的效率[1]，固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，与传统能源不同，它可以把化学能直接转变为电能，这种转变方式省去了传统能源复杂的转化方式，而且相对传统能源来说有着污染较少、建设的成本低、维修费用低等各种各样的诱人特点[24]。
燃料电池的发展在各国的眼中不仅是能源的问题，还关乎这人类的未来，随着世界各国的研究发展，我国对燃料电池的研究也陆续开展起来。虽然我国对燃料电池的研究比一些发达国家要慢，技术水平也较世界先进水平有差距。但是我国的氧化物燃料电池还是取得了一些比较不错的成果。比如说在质子交换膜燃料电池（PEMFC）这种类型电池上面，我国吸取各国的研究经验，取其精华，去其糟粕，现已有着装车的技术水平，可以这样说我国虽然起步晚，但是我们靠着努力与勤奋赶上并领先于世界先进水平。
可以这样说燃料电池的应用在未来是不可避免的，而且它可以减轻不可再生能源的压力[46]，从而为生活用水，用电等各种用电设施提供电力。但是关键问题则是SOFC内的催化剂过于昂贵，因此SOFC的高成本成为制约着燃料电池发展的一个重大原因。今年来，韩国人发现可以用人体尿中的碳原子来代替铂，因为碳与铂有着相似性，这表明在未来很有可能制约燃料的电池的这一个问题会得到解决，燃料电池会得到更好的发展。但是因为燃料电池作为一种新能源还正处于发展阶段，对SOFC的了解还不够深刻，所以更需要我们去积极的探索问题，解决问题。
1.2 燃料电池的简单介绍
1.2.1 工作原理
燃料电池是用于生产电和热的众所周知的电化学装置。它们由阳极和阴极组成，阳极和阴极由分离阳极和阴极气流的电解质膜隔开，并防止它们化学混合和反应。其次，电解质膜起离子选择性膜的作用，可以传导特定类型的离子，从而允许燃料电池发电。不同种类的电解质膜用于不同类型的燃料电池。虽然发电是燃料电池的主要功能，但它们也产生废热。而且，由于燃料电池具有两个独立的出口流，特定组成的出口气体可以用于不同的应用。
下面就来说说燃料电池是怎么完成从化学能转化为电能这一过程的。以简单的氢氧燃料电池为例子来说明燃料电池反应过程的原理以及公式[7]：
（11）
（12）
在上述反应中，氢由于元素的特殊性很容易失去电子，而电子从氢气中游离出来通过一个特殊物质到达燃料电池的另一端与氧气发生反应生成水。所以我们只需要使用一个氢离子能通过，但是不允许电子从空间中通过的物质，这样就可以让电子从外部电路迁移到氧气端，从而完成反应方程式对外做功。在上述反应中，在燃料电池中，在阳极，阴极和电解质的三个元件中发挥氢，氧和它们的分离物质的作用。这样我们就定义了阳极，电解质和阴极的性质。失去电子的一极可以定义为阳极，得到电子的一极可以称为阴极，而电解质是只能允许离子通过而不允许电子通过的特殊物质，并且电解质的作用还可以让两端的化学反应互不影响。使电子从燃料电池的一端到达另一端的动力是浓度差，从浓度大的流向浓度小的，经过这些化学反应后，燃料电池的化学能便转化成了电能。
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