[发明专利]一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，包括：建立固体氧化物燃料电池单电池多物理场耦合模型；定义模拟固体氧化物燃料电池所需的物理参数及多物理场模型的边界条件；对电池实际运行过程中涉及到的多种物理场进行了耦合；对划分网格后的固体氧化物燃料电池多物理场模型进行稳态和瞬态计算，得到不同工作条件下电池内部温度场、应力场、气体流动场、物质浓度分布场，及电流密度分布等计算结果。本发明在更符合SOFC的实际运行工况下，考虑了多方面因素共同作用效果，以更加经济、高效的方法模拟了多物理场耦合作用下SOFC内部温度场、应力场等物理场分布规律，提高了模拟的准确性和精确性。

技术领域

本发明涉及燃料电池数值模拟技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)由于其高效率和低污染物排放等优点而被认为在未来是有可能替代传统化石燃料的清洁能源。在各种类型的燃料电池中，由于高温固态氧化物燃料电池(High temperature solid oxide fuel cell，HTSOFC)具有全固态结构，且燃料选择灵活和不需要贵金属催化剂等优点，具有比其他转化装置更多的选择优势。中温固体氧化物燃料电池(Intermediate temperature solidoxide fuel cell，ITSOFC)在减轻高温不稳定性，减少的密封问题和降低组件成本方面也引起了人们的关注，这有利于加速SOFC技术的商业化。平板式ITSOFC的典型工作温度为600～800℃，这可以最大程度地减少极化损失并提高对燃料杂质中毒的耐受性。但是，电池内部严重的热应力仍然是影响单个电池寿命的问题之一。

由于电池堆长时间在高温环境下运行，且结构复杂，电池系统内部的应力应变分布受到众多因素的综合影响，如：外部荷载、温度场加载、外部空气流动、各构件间热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)的不同影响，因此燃料电池内部的应力场呈现出极其复杂分布特征，并且SOFC关键构件在热应力的长期作用下不可避免地会发生蠕变变形和损伤，从而产生裂纹甚至断裂。研究SOFC单电池关键构件热机械行为对电池性能劣化的影响，必须考虑温度场、电化学场、流场、浓度场和固体力学场等多物理场耦合的综合作用。由于实验成本和实验室条件等因素的限制，在优化电池设计和运行参数方面，数值模拟对于燃料电池的开发和研究变得越来越重要，成为代替实验的科研方法之一。

目前，大多数研究人员是利用计算流体力学软件和有限元软件相结合的方法研究SOFC内部热应力的分布和温度曲线，比较常见的有Fluent和ABAQUS两者的结合。这种方法是先计算SOFC电化学反应产生的温度场，通过温度场的数据再计算应力场，虽然可以得到SOFC内部应力场的分布规律，但这种方法忽略了应力场对温度场的反向影响，并且SOFC阳极部分在热应力的长期作用下会发生蠕变应变，蠕变效应会引起应力松弛作用，如果忽略蠕变会导致最终的模拟结果与实际情况出现较大的偏差。

因此，需要寻求一种在多场耦合综合作用下，建立传热-结构力学耦合单元，实现SOFC内部温度场和应力场相互耦合的数值模拟方法。

发明内容

为解决传统模拟过程中对SOFC内部的温度场和热应力无法实现相互耦合以及忽略了蠕变效应引起应力松弛的问题，本发明公开了一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤一，建立SOFC三维单电池多物理场模型；

步骤二，全局定义SOFC的物理参数及边界条件；

步骤三，对SOFC的单电池多物理场模型进行物理场设定，并进行网格划分；

步骤四，对三维SOFC数值模型进行稳态求解，得到与时间无关的单电池极化曲线、温度场和应力场分布结果；