【学习笔记】固体氧化物燃料电池宏观力学效应研究进展(2021)

摘要

SOFC采用了陶瓷材料电极和电解质并在高温下工作，力学损伤是造成其性能和寿命衰减的主要因素之一。由于实验测试的局限性，基于宏观力学模型的数值模拟是优化SOFC电池和电堆结构、提高其性能和耐久性的重要手段。

本文综述并评价了SOFC宏观力学效应的研究进展，介绍了SOFC在制造、正常运行和长期工作的不同阶段受到的残余应变、阳极氧化应变、化学膨胀、工作热应变以及蠕变等力学效应，总结了各种力学效应以及目前关注较少的电化力耦合效应的理论和数值模拟研究现状，最后展望了SOFC宏观力学性能研究的发展前景。

SOFC制造和工作过程存在不同类型的应力作用，且各个电池组件受到的应力影响不同(Nakajo et al. 2012，Peksen 2015a)：电池多层陶瓷结构在高温烧结阶段完成后的冷却过程中会积累残余应力(Yakabe et al. 2004b)；

阳极和阴极都具有比电解质更高的热膨胀系数（coefficients of thermal expansion, CTE），所以电极层通常表现为拉应力，而电解质层表现为压应力。

为减小阳极的失效概率，应增大阳极的厚度并减小电解质的厚度。Kong等分析了PEN各层厚度对室温下残余应力的影响，发现增加阳极厚度、减小电解质和阴极的厚度有利于避免机械失效。

在电极中引入材料属性沿某个方向上连续阶梯变化的催化层, 可以有效降低残余应力。

连续梯度电极对PEN表面的曲率和残余应力的影响, 结果表明具有连续梯度的催化层可以缓解残余应力并改善电极/电解质界面的应力不连续现象, 但同时会导致曲率增大。