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固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)具有能量密度高、结构紧凑、制造成本低等优点,近年来得到了广泛的关注和应用。SOFC在高温、氧化、还原等苛刻条件下工作,对结构本身的密封性要求较高,所以密封技术一直是制约其商业化进程的瓶颈问题。本文以平板式SOFC钎焊自适应密封残余应力作为研究对象,研究钎焊过程中的生长应力及热应力的变化规律及分布,为钎焊自适应密封提供理论指导。主要研究内容包括:
⑴在比较硬密封、压密封和自适应密封优缺点的基础上,提出了一种钎焊自适应密封方法。建立硬密封和钎焊自适应密封的热应力分析有限元模型,从热应力的角度比较两种密封方法的应力大小及分布,找到钎焊自适应密封的优点,并获得钎焊自适应密封过程中的薄弱环节。
⑵建立了高温氧化过程的生长应力模型和氧化动力学模型,获得弹性状态下与时间相关的生长应力变化规律。建立了扩散-氧化-蠕变多因素耦合作用下生长应力分析本构模型,获得蠕变作用下的生长应力变化规律,并与弹性状态的生长应力比较,探讨高温下的应力松弛作用。讨论了钎焊温度、保温时间(氧化膜厚度)、金属基体的厚度等工艺参数对生长应力的影响,计算结果表明:钎焊温度越高,生长应力越大,变化梯度也越大;保温时间越长,蠕变作用越明显,生长应力越小;金属基体厚度越大,基体的蠕变作用越弱,生长应力越大。
⑶将计算得到的生长应力作为初始条件,对电池堆的降温过程进行了有限元模拟,获得最终焊态残余应力的分布规律。计算结果表明,生长应力占最终焊态残余应力的1/4左右。并讨论了钎焊时间(氧化膜厚度)、冷却时间、金属框架厚度、金属箔片厚度以及电池板的长度等工艺参数对残余应力影响规律。结果表明,随氧化膜厚度增加,氧化膜中的残余应力出现先增后降的趋势,氧化膜厚度为0.6μm时,氧化膜中的残余应力达到最大值,约-4000MPa左右,所以要适当调节氧化时间,避免氧化膜的厚度在该范围之内;冷却时间越长,S11越小,S22变化不大;金属框架的厚度变化对其它结构的应力及应变影响较小;金属箔片的厚度越大,各结构中的应力越大;电池板的长度越大,变形越大,而对应力的变化基本无影响。