1、固體氧化物燃料電池(SOFC)具有燃料靈活、發(fā)電能效高等優(yōu)點，是各國競相發(fā)展的能源新技術(shù)。雖然實驗方法是推進SOFC技術(shù)進步的決定性因素，但是實驗方法也存在自身的缺點（如:昂貴、耗時等），一定程度上制約了SOFC的實用化進程。相對而言，SOFC的理論和數(shù)值仿真分析成本較低而且高效。利用SOFC的工作原理結(jié)合SOFC的材料性質(zhì)，建立多尺度多物理場耦合模型，可以從材料選擇、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行參數(shù)范圍方面對SOFC的整體性能進行量化優(yōu)化設(shè)計。

2、因此，理論模型和數(shù)值仿真技術(shù)對加深SOFC的理解和加速SOFC技術(shù)的發(fā)展，具有十分重要的意義。
　　 本論文主要利用理論和數(shù)值計算的方法對SOFC的電化學(xué)性能、機械性能和電池性能退化等方面進行系統(tǒng)的分析與討論。本論文主要包括如下幾部分內(nèi)容:
　　 (1)首先介紹燃料電池(fuelcell)發(fā)展背景和當前的發(fā)展概況，然后概括SOFC的基本工作原理和與SOFC相關(guān)的熱力學(xué)基本理論，接下來簡單介紹數(shù)值模擬所采用的有限元基本方法

3、，最后對國內(nèi)外SOFC在理論計算與仿真設(shè)計方面的進展進行總結(jié)。
　　 (2)針對微管SOFC的設(shè)計，運用有限元的方法建立了其二維軸對稱多尺度、多物理場模型，該模型耦合求解了電荷（電子和離子）的輸運方程、多組分物質(zhì)的擴散方程、電化學(xué)反應(yīng)控制方程以及能量和動量輸運方程。通過該模型研究了電池的工作條件（開路電壓、燃料流速、電流收集方式、燃料組成）微結(jié)構(gòu)性質(zhì)（顆粒半徑、復(fù)合電極組分比等）對電池電化學(xué)性能的影響。理論分析和計算結(jié)果表明:微

4、管SOFC在很大程度上制約于電池的電流收集方式、復(fù)合電極的組分比和電極的顆粒半徑等因素。
　　 (3)在微管SOFC機械性能方面，利用有限元的方法建立了微管SOFC二維軸對稱應(yīng)力模型，基于微管SOFC溫度場的分布和電池的制作過程，計算了室溫和工作溫度下，微管SOFC內(nèi)部的應(yīng)力分布。研究了微管SOFC復(fù)合陽極中的Ni的體積分數(shù)和復(fù)合陰極中LSM體積分數(shù)對電池機械性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):在機械穩(wěn)定性方面，無論是在工作溫度下還是在室溫下

5、，降低陽極的Ni含量，不僅可以在很大程度上減小陽極的拉伸應(yīng)力，同樣可以減小陰極和電解質(zhì)的壓應(yīng)力。增加LSM含量有利于減小陰極的壓應(yīng)力，但對陽極和電解質(zhì)的影響較小。
　　 (4)基于雙球模型、面擴散理論和SOFC陽極微結(jié)構(gòu)性質(zhì)，發(fā)展了描述復(fù)合陽極中Ni顆粒在高溫下粗化的模型。陽極中Ni顆粒的粗化主要是由于相互連接的顆粒中較大的顆粒吞并較小顆粒引起的。Ni顆粒在陽極中粗化的驅(qū)動力來源于Ni顆粒半徑不同導(dǎo)致的擴散速率的差異，金屬原子面

6、擴散是主要的擴散機制。模型中顆粒間連接面的個數(shù)是通過配位數(shù)理論計算的，概率性假設(shè)用來描述復(fù)合陽極中YSZ對Ni顆粒粗化的限制作用。根據(jù)以上的理論建立了Ni顆粒粗化動力學(xué)的解析表達式，通過對比理論結(jié)果和實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):理論計算結(jié)果能夠較好的描述實驗中Ni顆粒隨時間演化的趨勢。最后對影響Ni顆粒粗化的一些參數(shù)和SOFC復(fù)合陽極中Ni粗化的最大半徑進行了討論。
　　 (5)基于Ni顆粒的粗化模型，結(jié)合配位數(shù)理論和逾滲理論建立了二維SOF

7、C電池堆性能隨時間演化的多尺度、多物理場模型。為了確保參數(shù)的有效性，把實驗的I-V曲線和理論的I-V曲線進行了對照，實驗結(jié)果和理論結(jié)果吻合的很好。然后通過配位數(shù)理論和逾滲理論研究了復(fù)合陽極中Ni的粗化對體三相線、面三相線以及電子電導(dǎo)率的影響。研究結(jié)果表明在Ni的體積分數(shù)較大時，Ni的顆粒半徑粗化到較大的值，Ni仍然能夠處于逾滲閾值以上;類似的，YSZ顆粒半徑與Ni的顆粒半徑之比較大時，Ni的顆粒半徑同樣可以粗化到較大的值?；诙S多尺度