一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法

本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体涉及一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称sofc）属于第三代燃料电池，这种全固态化学发电设备能够在中高温（600-1000℃）条件下，将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、成本低、高比功率、燃料来源广泛、环境友好等优点，被广泛应用于移动电力、热电联供、分布式电力、交通运输及军事领域。但是，目前sofc尚未完全实现市场化，其主要原因之一是受到sofc高温强度的限制，尤其是其电极板结构。sofc电极板又称为pen板（positive-electrolyte-negative），由多种陶瓷材料组成，其热力属性差别显著，无论是制备与服役过程中，都不可避免产生热应力，尤其是当sofc电堆由于检修或者工作需求，需要频繁启停，极易发生热疲劳失效。pen板的疲劳开裂不仅会严重影响整个电堆的运行性能，而且其一旦开裂导致电池内的燃料气泄露，将会引起更大的安全事故。因此，如何对sofc的热疲劳寿命进行预测，是保障sofc电堆长期稳定运行的关键问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法。

2、本发明具体采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，包括步骤：

4、s1、根据sofc电堆单元各结构的材料组成，制备各材料的测试试样，并获取各材料的相关参数；

5、s2、建立全尺寸sofc电极板有限元模型，模拟电极板制备过程，获取电极板残余应力分布场；

6、s3、建立全尺寸sofc电堆单元有限元模型，并基于步骤s2得到的电极板残余应力分布场施加循环热温度场进行数值模拟，获取sofc电堆单元中电极板在启停循环工况下的正热应力及剪热应力的演变规律；

7、s4、分析sofc电极板组成材料失效机理，构建电极板热疲劳损伤预测模型，并利用步骤s3所获取的电极板正热应力及剪热应力的演变规律，计算电极板的损伤系数随热循环次数的演变规律，预测电极板的热疲劳寿命。

8、进一步地，所述步骤s1具体包括：

9、确定sofc电堆单元各结构的材料组成包括：电极板阳极层、电解质层、阴极层材料，双极板材料，密封层材料；

10、通过小冲杆测试试验，获取电极板阳极层、电解质层、阴极层材料以及密封层材料的弹性模量、泊松比；

11、通过热机械分析仪或差示热膨胀仪，获取电极板阳极层、电解质层、阴极层材料以及密封层材料的线热膨胀系数；

12、通过疲劳裂纹扩展速率试验，获取电极板阳极层、电解质层、阴极层材料以及密封层材料的疲劳参数；

13、通过金属材料的力学性能测试试验，获取双极板材料与温度相关的机械性能参数，包括抗拉强度、屈服强度、伸长率、屈服点、弹性极限、弹性模量、泊松比。

14、进一步地，所述步骤s1还包括：

15、制备电极板测试试样，通过电子显微镜观察电极板阳极层与电解质层分界处、阴极层与电解质层分界处的微观结构，分别获取电极板在阳极层与电解质层分界处、阴极层与电解质层分界处的平均孔隙直径以及平均孔隙间距。

16、进一步地，所述步骤s2具体为：

17、建立全尺寸sofc电极板烧结过程有限元模型，施加烧结温度场模拟其烧结过程，并获取烧结后电极板的残余应力分布场；然后建立电极板整平操作有限元模型，对烧结后的电极板施加整平操作，获取整平操作后电极板的残余应力分布场。

18、进一步地，所述步骤s2在模拟电极板烧结过程时，所施加的烧结温度场通过测量电极板在实际烧结过程中的温度-时间变化曲线得到。

19、进一步地，所述步骤s2中建立的电极板整平操作有限元模型包括电极板、设置于电极板下方的整平板以及设置于电极板上方的辊压轮，对辊压轮施加压力使其匀速滚过电极板模拟整平过程。

20、进一步地，所述步骤s3中在模拟过程中，所施加的循环热温度场通过测量实际电堆在启停过程中的温度-时间变化曲线得到。

21、进一步地，所述步骤s4构建的电极板热疲劳损伤预测模型为：

22、；

23、其中：

24、；

25、；

26、；

27、式中，为损伤系数，且，当时，表明电极板没有发生损伤，当时，表明电极板发生失效；为微裂纹尺寸；为孔隙间距；是循环载荷循环的次数；和为材料常数；为最大正应力与最小正应力的比值；为总应力强度因子，为ⅰ形裂纹的应力强度因子，为ⅱ型裂纹的应力强度因子；为每次循环的正应力幅值大小；为每次循环的剪应力幅值大小。

28、本发明具有如下有益效果：

29、本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，建立了电极板热疲劳损伤预测模型，而且还考虑了电极板制备过程中的残余应力对其疲劳寿命的影响，可以准确评估电极板在启停循环工况下的热疲劳寿命，为电堆设计提供理论指导，提高电堆设计的可靠性；而且本发明的预测方法还可以预测燃料电池运行过程中的电极板热疲劳损伤程度，并预测其剩余疲劳寿命，从而能够及时采取措施进行维护和修复，提高燃料电池运行的可靠性，延长其使用寿命，保证燃料电池能够长期稳定运行。

技术特征：

1.一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s1还包括：

4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：

5.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s2在模拟电极板烧结过程时，所施加的烧结温度场通过测量电极板在实际烧结过程中的温度-时间变化曲线得到。

6.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s2中建立的电极板整平操作有限元模型包括电极板、设置于电极板下方的整平板以及设置于电极板上方的辊压轮，对辊压轮施加压力使其匀速滚过电极板模拟整平过程。

7.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s3中在模拟过程中，所施加的循环热温度场通过测量实际电堆在启停过程中的温度-时间变化曲线得到。

8.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s4构建的电极板热疲劳损伤预测模型为：

技术总结
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池电极板的热疲劳寿命预测方法，属于燃料电池技术领域。本发明建立了全尺寸SOFC电极板有限元模型并模拟电极板制备过程，获取电极板残余应力分布场；还建立了全尺寸SOFC电堆单元有限元模型，并基于所获取的电极板残余应力分布场施加循环热温度场进行数值模拟，获取电堆单元中电极板在启停循环工况下的热应力的演变规律；同时还构建电极板热疲劳损伤预测模型，利用所获取的电极板的热应力的演变规律，计算电极板的损伤系数随热循环次数的演变规律，预测电极板的热疲劳寿命。本发明实现了对电极板的热疲劳寿命进行预测，能够为电堆的设计以及运行过程中的预防维护提供理论参考，以保证其长期稳定运行。

技术研发人员：蒋文春,赖利诚,罗云,解学方,钮瑞艳,郑红祥
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10