Cd|KOH|NiOOH

Zn|NH4CI|MnO2

Li|LiClO4|MnO2

Pb|H2SO4|PbO2

H2|KOH|O2

Моделирование термомеханических напряжений в ТОТЭ трубчатой конструкции

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

Проведено компьютерное моделирование поля механических напряжений, возникающего при изготовлении и нагревании до рабочей температуры ячеек твёрдооксидных топливных элементов (ТОТЭ) трубчатой конструкции с классическими функциональными материалами (Ni-YSZ)/YSZ/LSM. Рассмотрены ячейки с несущим твёрдым электролитом и с несущим анодом, а также смоделированы остаточные напряжения, возникающие при производстве модуля конус–конус с прямым контактом анод–катод. В результате моделирования установлено, что в процессе изготовления ячеек ТОТЭ с несущим анодом в них не возникают напряжения, могущие привести к разрушению ячейки. Однако высокий уровень энергии упругой деформации, накопленный в тонком слое электролита, при определённых условиях может вызвать его отслоение от несущего анода. Изготовление ячейки с несущим электролитом приводит к высокому напряжению растяжения в анодном слое, что вызывает его растрескивание. Нагрев ячеек до рабочей температуры и восстановление материала анода частично снимает остаточные напряжения слоев. Линии границ тонких слоев с несущей трубкой концентрируют значительные радиальные напряжения и могут послужить центрами отслаивания от основы. Напряжённое состояние конусной ячейки на несущем электролите не вызывает опасных уровней механических напряжений.

Литература

1. Чеботин В. Н., Перфильев М. В. Электрохимия твёрдых электролитов. М.: Химия, 1978. 310 с.
2. Turner M. J., Clough R. W., Martin H. C., Topp L. J. // J. Aeronaut. Sci. 1956. Vol. 23. P. 805–824.
3. Segerlind L. Applied Finite Element Analysis. New York: Wiley, 1985. 448 p.
4. Zienkiewicz O. The Finite Element Method in Engineering Science. London: McGraw Hill Publ., 1971. 518 p.
5. Pihlatie M., Kaiser A., Mogensen M. // J. of the European Ceramic Society. 2009. Vol. 29. P. 1657.
6. Giraud S., Canel J. // J. of the European Ceramic Society. 2008. Vol. 28. P. 77.
7. Atkinson A., Selcuk A. // Acta Mater. 1999. Vol. 47, N. 3. P. 867.
8. Selcuk A., Merere G., Atkinson A. // J. of Material Science. 2001. Vol. 36. P. 1173.
9. Atkinson A,. Selcuk A. // Solid State Ionics. 2000. Vol. 134. P. 59.
10. Klemenso T., Chung C., Larsen P. H., Mogensen M. // J. Electrochem. Soc. 2005. Vol. 152 (11). P. A2186.
11. Waldbillig D., Wood A., Ivey D. G. // Solid State Ionics. 2005. Vol. 176. P. 847.
12. Yakabe H., Baba Y., Sakurai T., Satoh M., Hirosawa I., Yoda Y. // J. Power Sources. 2004. Vol. 131. P. 278.
13. Fisher W., Malzbender J., Blass G., Steinbrech R. W. // J. Power Sources. 2005. Vol. 150. P. 73.
14. Laurencin J., Delette G., Dupeux M., Lefebvre-Joud F. // J. of the European Ceramic Society. 2008. Vol. 28. P. 1857.
15. Хрустов А. В., Горелов В. П., Кузьмин А. В., Богданович Н. М. // Фундаментальные проблемы ионики твёрдого тела: Черноголовка: Изд. гр. «Граница», 2008. С. 96.