基于多孔电极复杂微结构的固体氧化物燃料电池热循环稳定性研究

Solid oxide fuel cell (SOFC) is a kind of electrochemical power generation device with advantages of clean, efficient and high fuel flexibility. This project aims to investigate the structural stability of SOFC upon thermal cycling: First, conduct thermal shock and thermal fatigue experiments, establish a fully coupled thermal-fluid-mechanical-electrical SOFC model based on porous electrode complex microstructure, analyze the effect of porous electrode microstructure parameters on the distributions of various kinds of physical fields (temperature, stress etc.) inside cell, improve the understanding of structural failure mechanism of SOFC upon thermal cycling; Second, with the aim of enhancing SOFC local structural stability and overall performance, the porous electrode microstructure is subdivided and functionally regulated to explore a method to improve SOFC thermal cycling stability and cell performance simultaneously. This project could provide theoretical guidance on the improvement of SOFC thermal structural stability and the development of porous electrode optimization theory.

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种清洁、高效和燃料灵活的电化学发电装置。本项目以固体氧化物燃料电池为研究对象，针对固体氧化物燃料电池热循环过程中的结构稳定性问题，拟：首先，建立基于多孔电极复杂微结构的热-流-力-电多物理场全耦合电池模型并辅以热破坏实验，分析多孔电极微结构对电池内各物理场分布的影响，完善固体氧化物燃料电池热循环过程中的结构破坏机理，揭示固体氧化物燃料电池热循环过程中的结构破坏规律；其次，以增强电池局部结构稳定性和电池整体性能为目标，对多孔电极微结构进行分区域离散及功能调控，探索同时提高固体氧化物燃料电池热循环稳定性和性能的方法。本项目可为提高固体氧化物燃料电池热循环稳定性和发展多孔电极微结构调控理论提供指导。

针对固体氧化物燃料电池热循环过程中的结构稳定性问题，本项目从多孔电极-单电池-电池堆三个层面分别展开了研究：1）多孔电极微结构重构及其对电池性能的影响研究，通过多孔电极微结构重构，结合多物理场耦合模型，建立了多孔电极微结构、制备工艺、电池材料与电池性能之间的数值关系, 分析了多孔电极微结构参数对于电池性能的影响,这部分研究工作可以为固体氧化物燃料电池结构优化提供理论指导；2）固体氧化物燃料电池热循环特性研究，通过实验测试研究了热循环参数对电池性能的影响规律，通过数值模拟分析了热循环过程中的传热机理和热应力分布，结果表明热循环导致电池内的欧姆阻抗增加，这部分研究工作为理解固体氧化物燃料电池热循环过程中的结构稳定性提供重要基础数据；3）固体氧化物燃料电池堆热管理方法研究，针对温度梯度导致电池内产生热应力的问题，分析了固体氧化物燃料电池的产热机理，提出了一种新型且有效的固体氧化物燃料电池堆热管理方法，并开展了初步的探索性研究。