平板式固体氧化物燃料电池封接气密性研究与数值模拟

发布时间：2020-04-08 12:44

【摘要】：平板式固体氧化物燃料电池(pSOFCs)发展和大规模应用的关键阻碍之一是缺乏有效的密封材料,以往的一些研究主要集中在密封材料的实验和材料力学分析等方面,缺乏对密封材料泄漏机理的定量分析。本文研究平板式固体氧化物燃料电池压缩密封的泄漏机理,提出泄漏率预测理论方法。首先,基于格子玻尔兹曼方法(LBM)在处理复杂边界流动问题时具有一定灵活性的特点,将其用来模拟密封粗糙壁面界面间隙中的非线性流动。介绍LBM的基本理论,并研究在SOFCs密封中等温不可压缩流动问题的LBM具体应用,明确相关边界条件设置,对于数值模拟中无量纲化和参数选择等问题进行讨论。其次,采用数值三维粗糙面生成技术对密封界面间隙几何构型进行重构,结合格子玻尔兹曼方法对气体在界面间隙内的流动进行数值研究,分析流动状态并提出两个重要的无量纲参数:粗糙度流量因子Φ_σ和高度流量因子Φ_h,分别用来表征粗糙表面形貌特征和界面间隙有效高度对密封泄漏率的影响。最后,对单粗糙峰微接触力学进行有限元分析,确定应力作用下粗糙界面有效间隙高度。基于上述方法,所有数值结果均被拟合为无量纲准则关系式,用以计算界面泄漏率。这些准则关系式可以直接用于预测任意特定工况下压缩密封的泄漏率,而不需要依赖任何实验经验公式。本文提出的泄漏率预测模型还与现有的实验数据进行泄漏率预测比较,结果表明较好的一致性,验证该方法的准确性。本文建立了SOFCs压缩密封泄漏机理模型。该模型基于LBM微间隙流体力学分析和粗糙面数值重构技术,再结合密封材料的微接触力学分析,可以方便地预测各种工况下气体的泄漏特性,研究结果可用于优化SOFCs的密封设计及预测实际工况下密封结构的性能。
【图文】：

图 1-1 SOFCs 电化学反应及电流产生过程 的固态组成允许多种配置形式。多年来，SOF[4]。不过在实际生产中，主要是管式和平板式不需要密封，但它的功率密度和性能会受到限而平板式则允许电流在相邻单元间串联流动，产生比管式结构更高的功率密度，平板式结构

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文个系统运行的稳定性和安全性，对于金属-金属、金属-陶瓷和陶瓷-陶瓷等几种主要密封材料而言，需要能够承受长时间（5000 到 40000 小时）高温下（高达 1000℃）的热循环且不能失效。在上述几种密封类型中，金属-金属密封是最容易制造的，，但这种密封也最容易在高温下氧化。目前，金属-陶瓷和陶瓷-陶瓷密封的发展最为迫切，但是这些材料不仅比金属材料更难制造，且由于陶瓷固有的脆性，随着时间的推移，它们也会逐渐失去密封功能。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4

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