【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池双极板设计，具体涉及一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法。
技术介绍
1、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell, sofc）作为新一代发电技术，其能量转换率高、燃料适应性广、预热利用价值高，因采用全固态电池结构，可以避免腐蚀、电解液流失及爆炸等风险，是一种具有较好应用前景的新能源发电技术。
2、sofc工作温度为600~800℃，较其他燃料电池高，因此其在高温作用下的结构强度成为了决定sofc 能否长期运行的重要因素。长期高温服役环境下，电池的多层结构及温度梯度的存在会使电堆内部产生较大的热应力，热应力的存在会导致材料产生蠕变疲劳损伤、变形及电化学性能衰减，并萌生微孔洞，导致燃料电池系统的退化，甚至是电堆的突然失效，致使寿命退化严重。因此，sofc电堆的完整性和寿命与电堆内部应力-应变等力学行为直接相关。而双极板作为燃料电池电堆的关键部件在燃料电池中起到分配燃料气体、收集电流等多种作用，既保证了电堆结构的稳定性，同时起着隔绝燃料气体与氧化剂并及时传导电子和热量的作用，其性能优劣直接影响着电池的输出功率及长寿命。传统的双极板肋板结构如图2所示，是实心结构，双极板质量占整个电堆的80%以上，电堆重量大、刚性大、成本高，难以满足电池长寿命及商业化要求。双极板的几何结构不理想而引起较大的极化损失是致使电堆性能下降的主要原因。为提升sofc的电化学性能并降低热应力，可以通过优化双极板结构来完成。基于此，本专利技术提出了一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法。
2、本专利技术采用的技术方案为：
3、一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，包括步骤：
4、（1）建立固体氧化物燃料电池三维模型，将固体氧化物燃料电池三维模型导入有限元分析软件中，建立电化学-气体流动-物质传递-温度相耦合的多物理场模型；
5、（2）确定影响固体氧化物燃料电池性能的柔性双极板结构的几何因素；
6、（3）根据步骤（2）所确定的影响因素，获取不同影响因素下的固体氧化物燃料电池的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线；
7、（4）分析步骤（3）的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线，并选择能够使固体氧化物燃料电池电化学性能加且热应力降低的柔性双极板的结构参数。
8、进一步地，所述步骤（1）中所述固体氧化物燃料电池三维几何模型包括若干层堆叠的电池单元；每层电池单元包括阳极、阴极、位于阳极与阴极之间的电解质、位于阳极外侧、阴极外侧的柔性双极板，柔性双极板上设置有若干条肋板，阳极侧相邻肋板间为阳极流道，阴极侧相邻肋板间为阴极流道，所述阴、阳极流道设有倾角，且相邻两个电池单元堆叠后在相邻两个柔性双极板之间形成降温流道。
9、进一步地，所述柔性双极板上的阴、阳极流道均等间距分布，且阴、阳极流道的截面为梯形。
10、进一步地，所述降温流道内通入具有降温作用的气体。
11、进一步地，所述步骤（2）中所确定的影响因素包括：
12、柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，用于调节固体氧化物燃料电池的接触电阻；
13、阴、阳极流道的倾角a，用于增加电极的利用面积；
14、柔性双极板的厚度z，用于调整柔性双极板的面积；
15、降温流道，用于维持固体氧化物燃料电池内部的温度恒定。
16、进一步地，所述步骤（3）具体包括：
17、（31）设定不同的柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同比值w/l下的温度分布曲线；
18、（32）设定不同的阴、阳极流道的倾角a，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同倾角a下的温度分布曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取不同倾角a下的固体氧化物燃料电池的极化曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取阳极、阴极、电解质及柔性双极板的热应力分布曲线；
19、（33）设定不同的阳极侧、阴极侧柔性双极板厚度z，模拟计算并获取不同厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及热应力分布曲线；
20、（34）对包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池进行模拟计算，并获取包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线。
21、进一步地，所述步骤（4）具体包括：
22、（41）根据步骤（31）所获取的不同柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l下的温度分布曲线，选取温度分布高的曲线所对应的比值作为柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的最佳比值范围；
23、（42）根据步骤（32）所获取的不同的阴、阳极流道的倾角a下的温度分布曲线、极化曲线及热应力分布曲线，综合考虑温度分布、电化学性能及热应力分布确定阴、阳极流道的最佳倾角范围；
24、（43）根据步骤（33）所获取的不同柔性双极板厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及热应力分布曲线，综合考虑电化学性能及热应力分布确定柔性双极板的最佳厚度范围；
25、（44）根据步骤（34）所获取的包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线，分析设置降温流道后固体氧化物燃料电池的电化学性能是否增加，若增加，则说明增加降温流道能有效提升电池的电化学性能，若降低，则说明降温流道不能有效提升电池的电化学性能，则无需设置降温流道。
26、本专利技术的有益效果为：
27、本专利技术提供的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，能够根据所采取的柔性双极板结构，确定影响固体氧化物燃料电池性能的几何因素，并利用有限元分析软件分析不同影响因素下的固体氧化物燃料电池的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线，进而通过综合分析温度分布、电化学性能及热应力分布情况对柔性双极板结构进行优化，确定柔性双极板结构的最佳结构参数，从而提升固体氧化物燃料电池的电化学性能并降低热应力。
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1.一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，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柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（1）中所述固体氧化物燃料电池三维几何模型包括若干层堆叠的电池片；每层电池片包括阳极、阴极、位于阳极与阴极之间的电解质、位于阳极外侧、阴极外侧的柔性双极板，柔性双极板上设置有若干条肋板，阳极侧相邻肋板间为阳极流道，阴极侧相邻肋板间为阴极流道，所述阴极流道、阳极流道设有倾角，且相邻两个电池单元堆叠后在相邻两个柔性双极板之间形成降温流道。
3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述柔性双极板上的阴、阳极流道均等间距分布，且阴、阳极流道的截面为梯形。
4.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述降温流道内通入具有降温作用的气体。
5.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（2）中所确定的影响因素包括：
6.根据权利
7.根据权利要求6所述的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（4）具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，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柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤（1）中所述固体氧化物燃料电池三维几何模型包括若干层堆叠的电池片；每层电池片包括阳极、阴极、位于阳极与阴极之间的电解质、位于阳极外侧、阴极外侧的柔性双极板，柔性双极板上设置有若干条肋板，阳极侧相邻肋板间为阳极流道，阴极侧相邻肋板间为阴极流道，所述阴极流道、阳极流道设有倾角，且相邻两个电池单元堆叠后在相邻两个柔性双极板之间形成降温流道。
3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：张玉财，孟晓燕，蒋文春，宋明，罗云，涂善东，张显程，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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