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固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种清洁高效的能源转换装置,在大型电站、分布式供电系统以及军事等领域具有广阔的应用前景。高温服役条件下,蠕变变形及损伤是固体氧化物燃料电池失效的主要方式。本文以固体氧化物燃料电池硬密封结构为研究对象,对其在工作条件下的蠕变损伤进行了研究,并建立了与时间相关的失效概率预测方法,从而为固体氧化物燃料电池的高温强度理论设计提供一定的理论指导。本文的主要结论如下:(1)采用Wen-Tu蠕变损伤本构模型,通过有限元方法模拟了固体氧化物燃料电池的蠕变损伤分布规律,并讨论了玻璃陶瓷单轴蠕变失效应变对整个结构的影响。结果表明,固体氧化物燃料电池在600℃下工作50000h后,最大等效蠕变应变以及损伤值位于玻璃陶瓷密封层,受应力多轴度的影响,最大等效蠕变应变和损伤不在同一位置,玻璃陶瓷单轴蠕变失效应变越大,整个结构的等效蠕变应变和损伤越小。(2)基于传统的Weibull失效概率计算模型和蠕变损伤理论,建立了与时间相关的失效概率计算模型。通过Fortran语言编译子程序,并嵌入到有限元软件ABAQUS中,预测了固体氧化物燃料电池与时间相关的失效概率。研究发现,固体氧化物燃料电池在600℃下工作50000h后,玻璃陶瓷密封层的失效概率值最大。随着特征蠕变应变和Weibull模量的增大,失效概率逐渐减小。为了保证固体氧化物燃料电池的高温完整性,玻璃陶瓷密封层特征蠕变应变应该大于0.01,Weibull模量应该大于8.0。(3)讨论了几何因素和工作温度对固体氧化物燃料电池蠕变损伤以及失效概率的影响。结果表明,随着阴极厚度的增加,等效蠕变应变、损伤以及失效概率呈现减小的趋势,但影响不大;电解质、阳极和金属框架厚度对等效蠕变应变、损伤以及失效概率的影响均较大,随着厚度的增加,蠕变损伤和失效概率均出现逐渐增大的趋势;玻璃陶瓷密封作为固体氧化物燃料电池的关键位置,其厚度和宽度对整个结构的强度有较大的影响,随着玻璃陶瓷密封层厚度和宽度的增加,等效蠕变应变、损伤以及失效概率都减小;随着工作温度的升高,整个固体氧化物燃料电池结构中的应力逐渐降低,因而蠕变损伤和失效概率逐渐减小。