Constitutive and numerical modeling of chemical and mechanical phenomena in solid oxide fuel cells and oxygen permeable membranes

Abstract

A relation between diffusion of the oxygen ions, chemical expansion in electrochemical ceramics, and chemically induced stress evolution in the cathode over time for the Single Chamber Solid Oxide Fuel Cell based on the miniaturisation concept using thick films produced by screen-printing method has been established. The proposed model has been used to calculate the time dependent stress distribution in the cathode as a function of the material parameters, geometrical parameters of the cathode, and concentration of the oxygen ions under steady state operating conditions of the Single Chamber Solid Oxide Fuel Cell.

Виконано моделювання хімічних і механічних явищ, та розроблені узагальнені визначальні співвідношення, які можуть бути використано для розрахунків залежних від часу розподілень напружень та пошкоджуваності, що обумовлена повзучістю, в твердооксидних паливних елементах та в мембранах для переносу кисню як функцій матеріалу та параметрів паливного елементучи мембрани, які знаходяться в несталих та сталих умовах роботи. Розроблені визначальні співвідношення впроваджено в формі структурних моделей для аналізу розподілу напружень в паливних елементах і в мембранах та деградації в часі, для аналізу міцності та тривалої міцності, для забезпечення безпечної роботи систем паливних елементів та мембран для стаціонарного та транспортного використання