SOFC电堆结构损伤及电化学性能衰减的寿命预测方法

本发明属于固体氧化物燃料电池，具体涉及sofc电堆结构损伤及电化学性能衰减的寿命预测方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)作为一种高效、低污染的能源转换装置，已经引起了广泛的研究和应用。sofc在长期高温环境(600-800℃)下运行，长时间运行过程中的热应力会导致材料产生结构变形和损伤，容易萌生微孔洞，随着损伤累积和裂纹扩展，会引起结构的蠕变疲劳损伤失效以及电化学性能衰减加速，造成电堆输出电压逐渐下降，最终导致系统寿命退化严重，甚至造成电堆突然失效，这是sofc技术广泛应用的主要障碍之一。因此，对sofc电堆的寿命进行预测和评估显得非常重要。

2、目前的研究主要通过电压衰减率以及电化学阻抗谱等方法来表征和诊断燃料电池的运行状态，通过测量燃料电池的电压变化规律并评估相应的阻抗，进而评估sofc的健康状态以及剩余使用寿命。

3、然而，现有的专利仅分析了sofc电堆的电化学性能衰减，并没有考虑到sofc电堆组成部件及材料的机械破坏。

4、因此，为了提高sofc的可靠性和稳定性，需要开发一种可靠的电堆寿命预测方法，建立基于结构损伤及电化学性能衰减的sofc电堆寿命预测模型，以预测sofc电堆结构损伤和电化学衰减情况。通过分析电堆的运行工况及电压衰减数据，实现对sofc电堆剩余寿命的精确预测，指导电堆系统的运行与维护，以此延长电堆系统的运行时间，降低经济损失。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种sofc电堆结构损伤及电化学性能衰减的寿命预测方法，有效解决现有评估sofc电堆剩余使用寿命的方法不可靠的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、sofc电堆结构损伤及电化学性能衰减的寿命预测方法，包括以下步骤：

4、s0、确定sofc电堆的运行工况以及面临的主要衰减因素；

5、s1、根据运行工况选择sofc电堆寿命失效预测方法和健康指标，定义sofc电堆结构损伤与电化学性能衰减的失效阈值；

6、s2、开展sofc电堆组成部件及材料的力学性能测试试验，获得各组成材料的力学性能参数；

7、s3、基于组成材料的力学性能特征拟合sofc电堆结构损伤的本构模型参数，建立sofc电堆结构损伤本构模型；

8、s4、开展sofc电堆的耐久性测试试验，记录测试过程中sofc电堆的温度、电压、电流和进出口气体数据，并每间隔24h～120h采集极化曲线和电化学阻抗谱；

9、s5、建立sofc电堆的有限元模型，计算并分析sofc电堆的结构损伤随运行时间的变化规律；

10、s6、建立sofc电堆的电化学性能衰减模型，获得不同运行工况下电化学性能的衰减速率；

11、s7、关联不同运行工况下sofc电堆结构损伤与电化学性能衰减的相互关系，建立基于结构损伤及电化学性能衰减的sofc电堆寿命预测模型；

12、s8、根据sofc电堆的衰减机理，开展加速测试试验，验证并完善sofc电堆的寿命预测模型，预测sofc电堆的运行寿命。

13、进一步地，在步骤s0中，sofc电堆的运行工况主要包括连续运行工况和冷热循环工况，sofc电堆在连续运行工况下的主要衰减因素为电化学性能衰减以及热应力导致sofc电堆组成部件发生的蠕变破坏，sofc电堆在冷热循环工况下的主要衰减因素为电化学性能衰减以及循环热应力导致sofc电堆组成部件发生的蠕变疲劳破坏。

14、进一步地，在步骤s1中，在满足sofc电堆服役过程中不发生结构破坏的情况下，根据预期寿命指标定义sofc电堆电化学性能衰减的失效阈值为50％～80％。

15、进一步地，在步骤s2中，sofc电堆组成部件包括单电池、连接体与密封材料，其中连接体为金属材料，单电池与密封材料为陶瓷材料。

16、所述sofc电堆组成材料的力学性能测试包括常规力学性能试验以及蠕变、疲劳与蠕变疲劳测试试验。

17、在进行sofc电堆连续运行工况的寿命预测时，需要获取sofc电堆组成材料的蠕变性能参数；在进行sofc电堆冷热循环工况的寿命预测时，需要获取sofc电堆组成材料的蠕变疲劳性能参数。

18、进一步地，在步骤s3中，对于连续运行工况，建立金属材料的蠕变损伤本构模型，建立陶瓷材料的蠕变损伤与失效概率本构模型；对于冷热循环工况，建立金属材料的蠕变疲劳损伤本构模型，建立陶瓷材料的蠕变疲劳损伤与失效概率本构模型。

19、进一步地，在步骤s4中，sofc电堆的耐久性测试试验包括连续运行耐久性测试试验和冷热循环耐久性测试试验。

20、进一步地，在步骤s5中，通过sofc电堆组成材料的力学性能测试试验和sofc电堆耐久性测试验证并完善sofc电堆有限元模型的准确性。

21、进一步地，在步骤s5中，在连续运行工况下主要计算并分析sofc电堆的蠕变损伤与失效概率随运行时间的变化规律，在冷热循环工况下主要计算并分析sofc电堆的蠕变疲劳损伤与失效概率随运行时间的变化规律。

22、进一步地，在步骤s7中，在连续运行工况下建立基于蠕变损伤与电化学性能衰减的sofc电堆寿命预测模型，在冷热循环工况下建立基于蠕变疲劳损伤与电化学性能衰减的sofc电堆寿命预测模型。

23、进一步地，在步骤s8中，所述加速测试试验包括sofc电堆组成材料的力学性能的加速试验和sofc电堆电化学性能衰减的加速试验。

24、进一步地，所述sofc电堆组成材料的力学性能的加速试验是通过强化温度分布和应力水平，使得sofc电堆组成材料在1000h以内发生失效。

25、所述sofc电堆电化学性能衰减的加速试验是根据阴极、阳极和电解质的衰减机理，分别设定相应的极端工况运行，使sofc电堆各部件在500h以内完成全寿命周期内可能发生的衰减，进而快速测试sofc电堆各部件的寿命或耐久性，并进行性能评价。

26、本发明的有益技术效果是：

27、本发明提出了一种固体氧化物燃料电池电堆结构损伤及电化学衰减的寿命预测方法，该寿命预测方法不仅分析了sofc电堆的电化学性能衰减，同时考虑到sofc电堆组成部件及材料的机械破坏。建立了基于结构损伤及电化学性能衰减的sofc电堆寿命预测模型，以预测电堆结构损伤和电化学性能衰减的情况，指导sofc电堆以及热电联供系统的运行与维护，以此延长电堆系统的运行时间，降低经济损失。与传统的试验方法相比，该方法具有以下优点：

28、(1)优化sofc电堆结构：优化sofc电堆的结构和工艺参数，提高sofc电堆的性能和设计寿命。

29、(2)提高sofc电堆的寿命和可靠性：该方法能够对电堆的结构损伤和电化学性能衰减进行预测和评估，从而能够在运行过程中及时发现潜在的问题，及时采取措施进行维护和修复，从而延长sofc电堆的使用寿命，提高sofc电堆的可靠性。

30、(3)降低运营成本：减少sofc电堆的维修和更换成本，降低运营成本，提高经济效益。