固体氧化物燃料电池 (SOFC) 热应力分析：多物理场耦合模型的应用

固体氧化物燃料电池 (SOFC) 是一种新型的能源转换技术，其发电效率高、过载能力强、燃料来源广、单元容量大、负荷响应快、环境兼容性好，是一种极具潜力的新型能源转换技术[1-3]。其中高温运行的 SOFC 可以将多种复杂燃料的化学能直接转化为电能和热能，是最有发展前景的下一代新型分布式供电和热电联供技术。SOFC 发电无需燃烧、不受卡诺循环限制，直接采用天然气、气化煤气、焦炉煤气、煤层气和生物质气等多种燃料进行发电，具有发电效率高、燃料适用广、低碳排放等诸多优点[4-5]。以上特点使得 SOFC 在发电、热电联供、交通等领域有着广阔的应用前景，过去十多年中发达国家已成功应用，验证了这条新型发电技术路线的可行性，对中国提效、减碳提供了一条很好的借鉴途径。

尽管 SOFC 技术具有多种优势和巨大前景，但其使用仍然没有像预期的那样广泛。SOFC 成功商业化的关键因素是它们必须具有经济竞争力，以取代通过化石燃料的传统发电。在高工作温度下，即使在电池元件之间的界面上，特别是电极/电解质边界，所需的材料也会面临热应力和化学变化。其中的热应力往往是造成 SOFC 耐久性降低的重要因素之一，SOFC 运行时产生的热量会导致电池局部温度上升并形成不均匀的温度场，在温度梯度、组件间热膨胀系数不匹配和外部机械约束的共同作用下导致 SOFC 运行热应力，并引起阴极-电解质-阳极组件 (PEN) 出现裂纹等力学损伤[6]。因此优化新型和传统材料的化学和热性能仍然是许多研究人员关注的焦点。

现阶段 SOFC 的力学性能与表面和界面的局部结构、组成和形态之间的相关性并不总是完全清楚的。大多数的开发方法还都是由经验驱动，但是近年来，随着数学方法的发展和计算机硬件的有力配合，使得许多无法用理论分析求解的复杂工作过程通过数值模拟成为可能，同时那些实物制作昂贵、耗时且不能全面细致研究各材料参数、结构和工作条件影响的工程问题也同样适用。

但是包括燃料电池在内的任何一种能源转化过程都是极其复杂的多学科知识体系相互交叉的应用，涉及到动量传递、传热、传质及导电多种物理过程。SOFC 的核心能量转化基础（化学能-电能）主要依赖于电化学的反应动力学，但其发电设备工作时始终不可缺少传热、传质及导电过程，因此建立 SOFC 全面的数学模型非常困难。SOFC 单电池是系统的基本重复单元，也是各种物理化学过程发生的主要场所。因此建立准确的、耦合多物理场的单电池模型，有利于电池结构的优化设计[7]。

对现有的模拟大多只考虑了流动、传热传质和电化学的耦合，或者仅仅把电池中的温度场认为是均匀的温度场然后从力学角度分析电池模型。事实上电池表面的温度分布是不均匀的，是多方面作用的结果，不均匀温度产生的温度梯度同样是应力产生的原因之一，因此如果想要充分认识 SOFC 中的热应力分布，进行多物理场耦合分析很有必要[8-9]。

因此，对 SOFC 进行包含力学的多尺度耦合分析具有非常重要的现实意义，本文将建立管式 SOFC 单流道电池模型，耦合电化力场，分析管式流道 SOFC 的热应力场分布，并与其他结构进行对比。

总之，SOFC 作为一种新型的能源转换技术，在能源领域具有广泛的应用前景。然而，其使用仍然面临着许多挑战，其中之一是热应力问题。因此，建立准确的、耦合多物理场的模型，分析 SOFC 中的热应力分布，对优化电池结构、提高电池效率具有重要的现实意义。同时，通过发展创新型高科技、开发战略性的能源新技术储备，加大新能源的开发和推广力度，实现清洁、高效地利用化石能源，是我国能源发展的必由之路。