对称双阴极固体氧化物燃料电池应力及接触电阻分析

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对称双阴极固体氧化物燃料电池(Double-Side Cathode Solid Oxide Fuel Cell,DSC-SOFC)具有较高的机械稳定性及良好的抗还原性,它的抗还原能力是传统平板式SOFC的1.3~2.7倍。近年来,关于DSC-SOFC的研究主要集中在电化学及机械性能方面。然而还缺少对DSC-SOFC残余应力及接触性能的研究。本文针对DSC-SOFC设计,首先建立了电池的烧结模型,然后在烧结模型的基础上,加入了连接体和端板,考虑了预紧力的影响,分析了温度、端板厚度、阳极支撑层厚度对接触面积及接触电阻的影响规律,在得出最优参数的基础之上对端板结构进行了优化处理,为电池性能的设计优化提供参考。首先,针对DSC-SOFC建立了烧结模型,获得了其残余应力分布规律。阳极活化层边缘区域所受拉应力大,中心区域所受拉应力较小。与此相反,阴极和电解质边缘区域受到的压应力小于其中心区域受到的压应力。燃料通道的存在只影响了阳极支撑层中拉应力的分布,对电解质和阴极层的应力影响不大。在烧结模型的基础上,加入了连接体和端板,考虑了预紧力的影响。分析了温度、端板厚度、阳极支撑层厚度对接触面积的影响规律。阴极与双极板之间最大接触面积决定于端板厚度,因此端板厚度的选择至关重要。阴极与双极板之间的接触面积随阳极支撑层厚度的增加而增加。但是,当阳极支撑层的厚度大于6.7 mm时,阴极和双极板之间的接触面积几乎与阳极支撑层的厚度无关,推荐合适的阳极支撑层厚度为6.7mm。根据阴极接触应力,通过阴极接触应力与接触电阻的关系,得到了阴极表面接触电阻,探索了电池工作温度、端板厚度、阳极支撑层厚度对阴极接触电阻的影响规律。阴极平均接触电阻随着螺栓预紧力的增加而减小,但减小幅度在降低,当螺栓预紧力大于400 N时,螺栓预紧力对阴极平均接触电阻的影响可忽略。端板厚度越厚,阴极的接触电阻越小。为了提高电池质量功率密度,推荐使用30 mm的端板厚度。当螺栓预紧力一定时,随着阳极支撑层厚度的增加,其对接触电阻的影响越来越小,为了节约成本,推荐阳极支撑层厚度为6.7 mm。最后,通过改进端板结构设计,进而达到减小端板质量,提升DSC-SOFC单位质量能量密度的目的。探讨了端板宽度、端板倒角、梯形中孔、半椭圆中孔对阴极接触电阻的影响。共设计了7种端板结构,与原始设计相比,端板设计7不仅使端板体积从64896 mm~3减小到44747 mm~3,体积减小了31%,而且阴极平均接触电阻从23.26mΩ·cm~2减小到17.91 mΩ·cm~2,减小了23%。
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