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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效能量转换器件,可以直接将燃料的化学能转化为电能而不需要经过燃烧过程,具有高效、低污染、无噪声、燃料灵活等优点。固体氧化物电解池(SOEC)是一种能源转化和储存技术,通过电解将电能和热能转化为化学能储存在产物中。SOFC与SOEC(SOC)电堆由连接体、阳极、阴极、电解质、密封层、外部框架等构成,两者所用材料体系大体一致,电极反应互为逆过程,因此两者的发展可以相互借鉴经验。由于电极反应的不同,两者在结构设计、性能衰退机理等方面也存在明显差异,因此又需要分别进行研究。SOC内部发生的质量、组分、动量、能量、电荷传输以及电化学反应和化学反应等过程相互耦合,导致内部物理场分布极其复杂。实验研究周期长且费用高,在探究大量几何及运行参数的影响时尤其显得吃力。另外,由于SOC本身的高温运行及密封性要求,电池内部详细的物理场分布细节很难通过实验测得。随着计算机技术以及商业软件的发展,数值模拟的精确度和可靠性越来越高,模拟仿真作为一种有效的研究手段可以替代实验进行结构优化设计、运行参数选择、高性能材料预测等工作。尽管单电池的研究已经取得了显著的成绩,一旦组装成电堆,性能出现的严重下降依然是电堆技术发展过程中亟待解决的问题。目前SOC作为一种极具应用前景的产电和储能技术,在商业化的道路上主要面临着提高性能、延长寿命、降低成本的严峻挑战。电池堆制作过程、化学和电化学反应过程、组件间的热不匹配以及温度梯度导致的应力是造成电堆稳定性和耐久性降低的主要原因。因此,通过优化设计降低各组件的应力是现阶段机械性能研究的主要内容之一。然而,目前关于大型电堆的电化学性能和机械性能的实验和模拟研究均少之又少,因此采用数值计算对大型电堆的性能行为进行研究对于电池堆技术的发展至关重要。本论文通过多物理场全耦合模拟,数值求解获得具有较高几何分辨率的SOC内部物理场分布的细节,通过参数化分析研究影响电池堆性能的主要因素,以期寻找造成电堆性能不高的原因以及提出电堆性能优化的设计方案。并将多场耦合得到的温度场作为热负荷导入力学模型,模拟电堆内部各组件的热应力、应变分布,进行机械性能分析,揭示背后机理,以期为实验发展提供优化设计方向。第一章主要介绍了 SOC的基本信息及问题的研究背景。首先介绍了 SOC的构成、工作原理和发展进程,然后对SOC的数值模拟进展进行了总体概述。第二章介绍了 SOC多物理场耦合模型,包括质量、动量、组分、能量守恒方程以及化学反应和电化学反应等,并详细介绍了组分扩散模型和传热模型。第三章介绍了 SOFC电堆多物理场耦合模型,研究了 H2燃料和CH4燃料的30层电堆多物理场分布,并对比分析了两者的特点、差异及背后机理。对比了不同流场模式、燃料利用率、空气当量、进口温度等参数对物理场分布及性能输出的影响。结果发现空气流在两种电堆中通过不同机理影响电堆温度分布,且CH4电堆的燃料均匀度对不合理的流场设计更加敏感。两者在结构优化、物理量分布、性能输出等方面也存在明显差异。第四章首先介绍了 SOFC机械性能的研究进展,然后建立了力学模型,并通过对具有高几何分辨率的单片电堆在等温场和非均匀温度场下的机械性能的对比分析,发现均匀温度场显著降低了电池堆组件的应力、应变、损伤概率等,显著提高了电池堆的机械性能,而非均匀温度场更容易导致应力集中。通过对比分析揭示了非温度梯度导致的问题以及温度梯度的存在导致的问题。另外,通过将各个组件的蠕变的影响进行解耦,分析了组件在长期运行过程中的相互作用规律。这一章节还研究了甲烷在不同预重整度下的应力和应变分布,初步探究了组件蠕变导致的电池堆中脆性材料的损伤概率以及所有组件的蠕变速率随时间的演变规律,并预测了不同预重整度下电池堆的运行寿命。研究结果表明部分预重整对于电解质和阴极层的长期可靠性有利,而完全外重整更有利于阳极和密封件的可靠性和稳定性。部分预重整可以保持电池堆整体长期运行过程中的损伤风险较低,运行寿命最长。第五章建立了 SOEC多物理场耦合模型,进行了电解池性能影响因素的参数化分析。并基于板状电池的连接体构造方式:气道和肋(rib)的交替分布,进行了 rib宽度的优化,最后得出影响最优rib宽度的三个主要因素:pitch宽度、rib和电极之间的接触电阻、极化损耗,并给出以这三个参数为变量的预测最优rib宽度的解析表达式。第六章对整个博士毕业论文进行了总结。