CN111625929B - 一种多物理场耦合作用下sofc数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，包括：建立固体氧化物燃料电池单电池多物理场耦合模型；定义模拟固体氧化物燃料电池所需的物理参数及多物理场模型的边界条件；对电池实际运行过程中涉及到的多种物理场进行了耦合；对划分网格后的固体氧化物燃料电池多物理场模型进行稳态和瞬态计算，得到不同工作条件下电池内部温度场、应力场、气体流动场、物质浓度分布场，及电流密度分布等计算结果。本发明在更符合SOFC的实际运行工况下，考虑了多方面因素共同作用效果，以更加经济、高效的方法模拟了多物理场耦合作用下SOFC内部温度场、应力场等物理场分布规律，提高了模拟的准确性和精确性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池数值模拟技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)由于其高效率和低污染物排放等优点而被认为在未来是有可能替代传统化石燃料的清洁能源。在各种类型的燃料电池中，由于高温固态氧化物燃料电池(High temperature solid oxide fuel cell，HTSOFC)具有全固态结构，且燃料选择灵活和不需要贵金属催化剂等优点，具有比其他转化装置更多的选择优势。中温固体氧化物燃料电池(Intermediate temperature solidoxide fuel cell，ITSOFC)在减轻高温不稳定性，减少的密封问题和降低组件成本方面也引起了人们的关注，这有利于加速SOFC技术的商业化。平板式ITSOFC的典型工作温度为600～800℃，这可以最大程度地减少极化损失并提高对燃料杂质中毒的耐受性。但是，电池内部严重的热应力仍然是影响单个电池寿命的问题之一。
由于电池堆长时间在高温环境下运行，且结构复杂，电池系统内部的应力应变分布受到众多因素的综合影响，如：外部荷载、温度场加载、外部空气流动、各构件间热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)的不同影响，因此燃料电池内部的应力场呈现出极其复杂分布特征，并且SOFC关键构件在热应力的长期作用下不可避免地会发生蠕变变形和损伤，从而产生裂纹甚至断裂。研究SOFC单电池关键构件热机械行为对电池性能劣化的影响，必须考虑温度场、电化学场、流场、浓度场和固体力学场等多物理场耦合的综合作用。由于实验成本和实验室条件等因素的限制，在优化电池设计和运行参数方面，数值模拟对于燃料电池的开发和研究变得越来越重要，成为代替实验的科研方法之一。
目前，大多数研究人员是利用计算流体力学软件和有限元软件相结合的方法研究SOFC内部热应力的分布和温度曲线，比较常见的有Fluent和ABAQUS两者的结合。这种方法是先计算SOFC电化学反应产生的温度场，通过温度场的数据再计算应力场，虽然可以得到SOFC内部应力场的分布规律，但这种方法忽略了应力场对温度场的反向影响，并且SOFC阳极部分在热应力的长期作用下会发生蠕变应变，蠕变效应会引起应力松弛作用，如果忽略蠕变会导致最终的模拟结果与实际情况出现较大的偏差。
因此，需要寻求一种在多场耦合综合作用下，建立传热-结构力学耦合单元，实现SOFC内部温度场和应力场相互耦合的数值模拟方法。
发明内容
为解决传统模拟过程中对SOFC内部的温度场和热应力无法实现相互耦合以及忽略了蠕变效应引起应力松弛的问题，本发明公开了一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，具体包括以下步骤：
步骤一，建立SOFC三维单电池多物理场模型；
步骤二，全局定义SOFC的物理参数及边界条件；
步骤三，对SOFC的单电池多物理场模型进行物理场设定，并进行网格划分；
步骤四，对三维SOFC数值模型进行稳态求解，得到与时间无关的单电池极化曲线、温度场和应力场分布结果；
步骤五，将稳态求解得到的应力和应变结果作为预应力和预应变，对电池阳极的蠕变效应进行计算，并将考虑阳极蠕变效应的电池内部应力场与步骤四得到的应力场进行对比；
步骤六，将求解得到的结果分别绘制应力场分布云图、应变场分布云图、温度场分布云图、气体摩尔分数分布云图、电池极化曲线、功率曲线，以及它们随时间变化的曲线，先分类进行分析，然后综合汇总分析，得出多物理场影响下电池的最优化设计，为电池的设计与优化提供数据与理论支持。
作为本发明的进一步优选，步骤一中，建立SOFC关键构件的多物理场模型，其中，关键构件包括阳极流道、阳极电极、电解质、阴极电极、阴极流道和连接体材料，物理场包含质量、动量、热量、电化学反应以及固体力学。
作为本发明的进一步优选，SOFC模型假设条件包括：
a、假设气体混合物由理想气体组成；
b、电化学反应发生在电极层的边界界面；
c、假设多孔电极是各向同性并宏观均匀；
d、假设连接体是极好的导体，忽略其欧姆热的产生；
e、认为气体混合物的热容与温度无关；
f、SOFC电压等于阳极和阴极之间的电压差；
g、忽略连接体通过辐射机制传递的热量；
h、忽略SOFC多孔介质部分发生的收缩和膨胀变形；
i、假设SOFC关键构件的部分物理参数不随温度的变化而变化。
作为本发明的进一步优选，步骤二中，物理参数包括：阳极、阴极、电解质、连接体材料各自的密度、导热系数、导电率、热膨胀系数、泊松比和弹性模量；多孔材料的渗透率和孔隙率；气体参数包括燃料气体、空气的动力粘度、摩尔质量、比热容和导热率；蠕变参数包括蠕变率系数、蠕变应力指数、蠕变激活能；
边界条件包括：在流场出口处设置为压力出口边界，并且流体与壁之间为无滑移；对电池流体入口和出口其余的部分均采用热绝缘边界；求解电池内部热应力时对整个电池模型固体部分施加刚体抑制运动的边界。
作为本发明的进一步优选，步骤三中，对SOFC涉及到的物理场进行域的选择及参数设定，并进行多物理场耦合设置，使物理场进行参数设定时是采用经过耦合得到的结果；整个模型的网格采用结构化网格，在阳极和阴极流道部分加入边界层网格且靠近电解质的部分使用加密网格。
作为本发明的进一步优选，步骤四中，对不涉及电池阳极蠕变的多物理场模型进行稳态求解计算，得到与时间无关的电池极化曲线、温度场和应力场分布结果，并绘制相应云图。
作为本发明的进一步优选，步骤五中，加入阳极蠕变效应后，以步骤四的稳态求解结果作为本步骤瞬态计算的初始值进行求解计算，得到SOFC长时间运行后考虑阳极蠕变条件下的应力场分布结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，
(1)本发明实现了同时耦合SOFC实际运行过程存在的质量、动量、热量、电化学反应以及固体力学等多个物理场共同作用下的数值模型，可以高效的得到SOFC的几何机构、物理参数等对电池内部热应力分布的影响规律，为进一步优化电池结构和设计提供了依据。
(2)本发明基于COMSOL软件建立固体氧化物燃料电池多物理场模型，由于软件自带研究SOFC热应力所需的所有物理模块，所以在此一个软件内就可以同时得到温度场和应力场的模拟结果，实现了温度场和应力场的相互耦合，并且考虑了在阳极发生蠕变效应后对热应力的影响，进一步提高了模拟的精确性。
本发明在保持高精度求解的前提下，以更加便捷、经济的方法实现了SOFC温度场和应力场相互耦合，同时得到考虑阳极蠕变效应后的温度场和应力场的分布规律，提高了传统模拟SOFC热应力模拟方法的精确性。
附图说明
图1为本发明实施例中阳极支撑的SOFC 3D几何对称模型图；
图2为图1侧视图；
图3为本发明实施例中阳极支撑的SOFC 3D模型的结构化网格示意图；
图4为本发明实施例中阳极支撑的SOFC 3D模型进行多物理场耦合求解后的极化曲线图；
图5为本发明实施例中阳极支撑的SOFC 3D模型进行多物理场耦合求解后的有效蠕变应变云图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的基本原理是：根据平板式阳极支撑SOFC的实际运行情况，在COMSOL软件中添加SOFC运行过程中涉及到的物理场并赋予材料的物理特性及边界条件，得到在多场耦合相互作用下考虑阳极蠕变后SOFC内部温度场和应力场的分布情况。
本发明公开了一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，具体包括以下步骤：
一、建立SOFC三维单电池多物理场模型；
建立SOFC关键构件的多物理场模型，其中，关键构件包括阳极流道、阳极电极、电解质、阴极电极、阴极流道和连接体材料，物理场包含质量、动量、热量、电化学反应以及固体力学等，这些物理场之间相互耦合，共同作用，对电池内部的物理量变化都有着重要且复杂的影响。
SOFC模型假设条件包括：
(1)假设气体混合物由理想气体组成；
(2)电化学反应发生在电极层的边界界面；
(3)假设多孔电极是各向同性并宏观均匀；
(4)假设连接体是极好的导体，忽略其欧姆热的产生；
(5)认为气体混合物的热容与温度无关；
(6)SOFC电压等于阳极和阴极之间的电压差；
(7)忽略连接体通过辐射机制传递的热量；
(8)忽略SOFC多孔介质部分发生的收缩和膨胀变形；
(9)假设SOFC关键构件(阴极、阳极和电解质等)的部分物理参数(如弹性模量和泊松比)不随温度的变化而变化。
二、全局定义SOFC的物理参数及边界条件；
物理参数包括：阳极、阴极、电解质、连接体材料各自的密度、导热系数、导电率、热膨胀系数、泊松比和弹性模量；多孔材料的渗透率和孔隙率；气体参数包括燃料气体、空气的动力粘度、摩尔质量、比热容和导热率；蠕变参数包括蠕变率系数、蠕变应力指数、蠕变激活能；
边界条件包括：在流场出口处设置为压力出口边界，并且流体与壁之间为无滑移；对电池流体入口和出口其余的部分均采用热绝缘边界；求解电池内部热应力时对整个电池模型固体部分施加刚体抑制运动的边界等。
三、对SOFC的单电池多物理场模型进行物理场设定，并进行网格划分；
对SOFC涉及到的物理场进行域的选择及参数设定，并行多物理场耦合设置，使物理场进行参数设定时是采用经过耦合得到的结果，例如：固体力学场求解热应力时设置的温度是电化学反应和传热耦合得到的温度大小，这也使得模型更加的完善和准确。整个模型的网格采用结构化网格，为了提高计算精度，考虑到流体与固体交接处，流体流动存在边界无滑移现象，边界层的存在有利于捕捉流体边界附近的流动特性，故在阳极和阴极流道部分加入边界层网格且靠近电解质的部分使用加密网格。
四、对三维SOFC数值模型进行稳态求解，得到与时间无关的单电池极化曲线、温度场和应力场分布结果。
对不涉及电池阳极蠕变的多物理场模型进行研究步骤一的稳态求解计算，得到与时间无关的电池极化曲线、温度场和应力场等结果，并绘制相应云图。
五、将步骤四所稳态求解得到的应力和应变结果作为新研究步的预应力和预应变，对电池阳极的蠕变效应进行计算，并将考虑阳极蠕变效应的电池内部应力场与步骤四得到的应力场进行对比。
六，将求解得到的结果分别绘制应力场分布云图、应变场分布云图、温度场分布云图、气体摩尔分数分布云图、电池极化曲线、功率曲线，以及它们随时间变化的曲线，分类进行分析，然后综合汇总分析，最终得到最优化的电池外形、流道布置、流道长度与截面尺寸、燃料流速、构成材料、连接方式与工作温度等关键参数。加入阳极蠕变效应后，以稳态求解结果作为瞬态计算的初始值进行5000h求解计算，得到SOFC长时间运行后考虑阳极蠕变条件下的应力场分布结果，可进一步分析电池阳极蠕变对电池内部热应力大小产生的影响。
下面对本发明作更进一步的详细说明。
(1)首先，在COMSOL软件中几何模块根据SOFC各部分关键构件的尺寸大小建立单电池模型，然后在软件的“全局定义”部分指定SOFC模型的材料属性、参数、变量、电池几何模型各部分的名称以及添加为求解平均电流密度所需要的探针等。
其中，固体氧化物燃料电池的气体参数包括气体进口速度、质量分数、扩散系数、气体出口处的压强以及气体入口时的初始温度；固体结构(阴极、阳极、电解质和连接体材料)的物性参数包括在二次电流密度接口中需要的电导率、交换电流密度、初始电压，在固体传热接口中需要的热导率、比热，在浓物质传递接口中需要的多孔介质的孔隙率和渗透率，在固体力学接口中需要的密度、热膨胀系数、弹性模量、泊松比以及SOFC阳极部分的蠕变率系数、蠕变应力指数、蠕变激活能等。
考虑到SOFC实际工作情况，在模型中初始温度设置为800℃，压强设为1atm。
(2)根据SOFC实际的运行情况，在COMSOL软件内为几何模型选取对应的物理场接口：传热模块中的固体传热接口、化学物质传递模块的浓物质传递接口、电化学模块的二次电流密度接口、流体流动模块的自由和多孔介质流接口、结构力学模块的固体力学接口。
“二次电流密度分布”接口用于电化学电池的通用建模。可以使用任意动力学表达式(例如Butler-Volmer和Tafel方程)描述电荷转移与超电势之间的关系。“浓物质传递”接口用于多组分扩散，其中每种物质的扩散驱动力取决于混合物的组成、温度和压力。该物理场用于对SOFC中阳极流道、阴极流道和多孔介质(阳极、阴极本身)之间的物质传递现象进行建模。“自由和多孔介质流”接口被用来计算单相流的流体速度和压力场，其中自由流与多孔介质相连。在SOFC中，阳极与燃料通道、阴极和与空气通道集成在一起。“固体传热”接口用于模拟SOFC中流体、多孔介质和固体中传导传热、对流传热和辐射传热。“固体力学”接口用于模拟SOFC中关键构件的热应力和蠕变效应。
固体氧化物燃料电池主要有三个组成，即电解质和两个电极(阴极和阳极)，允许带正电的氢离子(质子)在SOFC的两侧之间移动。在阴极，燃料被氧化，然后产生电子，电子通过外部负载从阳极流向阴极。在阴极，氢气和氧离子反应生成水。
通过二次电流分布模型来计算由电化学反应产生的电压和电流密度。在平面SOFC电极上发生的电化学反应为：
阳极：H2+O2-→H2O+2e-
阴极：1/2O2+2e–→O2-a、二次电流分布模型
电解质和多孔电极的电子和离子的转移控制方程，可表示为：
其中，ρl和ρs分别是电子和离子电荷密度；σl是指电极的有效电导率，而σs是指电解质的离子电导率；
和
是电子和离子电压，而Ql和Qs分别代表电子和离子电荷源，
为梯度算子。
阳极和阴极中的活化极化与电流密度关系由Butler-Volmer(BV)方程描述，其中同时考虑了浓度差极化：
其中，i0是交换电流密度，αa和αc阳极和阴极的电子转移系数，n是每个电化学反应转移的电子数，STPB(单位)是三相边界长度(TPB)的密度，上标a和c分别代表阳极和阴极，ci是组分i的浓度，ηact和ηconc分别代表活化极化和浓度差极化。
b、流体流动模型
气体在多孔电极和气体通道之间自由流动，可以同时模拟多孔电极和气体通道中的流体流动。气体在流道中流动时广泛使用Navier-Stokes方程描述，由于多孔电极和流道中的结构不同，通过引入Darcy项修改了Navier-Stokes方程，并且还考虑了多孔介质的孔隙率：
其中，v是速度矢量，Smass是质量源项，ε是孔隙率，k是比渗透率，具体取决于多孔介质的几何形状。在气体流道中，气体的流量与孔隙率无关，因此此时忽略公式(6)中涉及孔隙率和渗透率的Darcy项。
通过该模型的方程进行直接求解可以得到SOFC内部气体的速度分布。
c、传质模型
由于电化学反应发生在电解质和电极的界面附近，气体为了到达反应部位，气体必须通过电极的气孔进行扩散。考虑到活性阳极层中的孔较小，意味着分子与孔表面的碰撞更频繁，所以Knudsen扩散在扩散中起重要作用。因此，在传质模型中采用Knudsen扩散和Fick’s定律相结合的形式：
其中，ωi是物质i的质量分数，ji是物种i的质量通量，ε是多孔介质中孔的体积分数，M是总摩尔质量，Dmk是物质的总扩散系数，可以通过Fick’s扩散系数Dm和Knudsen扩散系数Dk。
此外，物质的质量守恒方程为：
其中，Si是组分i的质量源项。方程考虑了扩散，对流和反应引起的物质质量变化。通过该模型根据入口处的质量分数以及与多孔电极耦合中气体反应中的化学当量系数可以计算得到电池内部气体的质量分数分布。
d、传热模型
经典的传热控制方程为：
其中Cp是比热容，Q是电池中的热源项。λeff是有效热导率，由气体流道中气体的成分决定。
而多孔电极的λeff计算为：
λeff＝(l-ε)λs+fλg (12)
其中，λs和λg是气体和固体的热导率。
电解质，阳极互连和阴极互连构件中的关键传热机制是热传导。阴极和阳极多孔电极中的关键传热机制分别是热传导和对流，空气和燃料通道中的主要传热机制是对流。由于热辐射的传热量很少，故在此模型中忽略不计。通过该模型可以得到电池内部温度场的分布。
由于假设平面SOFC各层材料都满足线性弹性理论，并且由于热应力引起的变形很小。
e、结构力学模型：
弹性材料在热载荷下的应力—应变关系式为：
σ＝Dξei+oo (13)
其中，σ是应力向量，D为弹性矩阵，σ0表示初始应力大小。
各向同性材料的弹性矩阵D表示为：
其中，E代表弹性模量，υ代表泊松比。且与剪切模量G满足以下关系：
热应变是由SOFC各部分的CTE不同造成的，且满足以下关系式：
ξth＝α(T-Tf) (lh)
其中，α表示材料的热膨胀系数，T是计算热应力时的物理温度，Tf(800℃)表示参考温度。
通常在电池加热前，其热应力最低，在此模型中假设在800℃时，电池内部热应力为零。通过该结构力学模型，在COMSOL中进行分离式求解，可以得到SOFC内部的热应力分布。
SOFC在高温环境下长时间运行，其关键构件不可避免地会产生蠕变变形，且这是一个不可逆的过程。SOFC关键构件材料的蠕变变形可以用Norton模型表示：
其中，
是蠕变应变速率，T是计算热应力时的物理温度，A为蠕变率系数，σeff为有效应力，σref为参考应力，Q为蠕变活化能，n为应力指数，R是通用气体常数。由于阳极最容易损坏，此数值模拟方法只考虑阳极部分的蠕变变形效应。
具体的，对SOFC多物理场模型进行材料属性的赋予。在二次电流密度接口处，首先，在几何模型中选中电池的阴极、阳极和电解质三部分，如图1、2所示，并添加在上文中提到的电极和电解质的电导率、交换电流密度、初始极化电压等物理参量；分别设置阴极和阳极两处浓物质传递接口，并添加气体粘性系数，扩散系数，入口处的质量分数、孔隙率和渗透率等；在自由和多孔介质流接口中，启用多孔介质区域，对流体流道和多孔介质区域分别进行设置，输入动力粘度、压强等物理参数；在固体传热接口处，对电池中的固体、多孔介质和流体分别进行设置，输入相应的导热系数、比热、密度等参数；设置两个在固体力学接口，在第一个固体力学接口处，选中几何模型所有的固体区域，分别对每个区域进行物理参数设定，有弹性模量，热膨胀系数、密度和泊松比并且对选中的所有固体区域施加刚体运动抑制的边界条件等，在第二个固体力学接口处选中电池的阳极区域，对阳极进行蠕变参数的设定并对阳极施加刚体运动抑制的边界条件。
由于在SOFC实际运行过程中，质量传输、热量传输、动量传输和电荷传输以及化学反应是相互依赖的。流体性质和流场取决于温度和物质浓度。电化学反应速率取决于温度、物质浓度和催化反应的可用表面积。化学反应产生并消耗热量，即温度分布取决于化学反应速率，以及固体和气体特性(例如热容和电导率)，热应力的大小取决于温度场的分布，所有这些依赖关系都要求控制方程是耦合求解的。
(3)下面对设置好物理场的几何模型进行网格划分，采用结构化网格形式，如图3所示；对划分好网格的几何模型进行多物理场设定；对设定好多物理场的几何模型进行求解器设置；最后，对设置好的几何模型设置两个研究步，分别为研究一和研究二。其中研究一进行多场耦合作用下未考虑蠕变的热应力稳态计算，研究二选择瞬态求解器，以研究一的热应力和应变计算结果作为研究二求解蠕变效应的预应力和预应变，选择包括加入蠕变的固体力学接口在内的所有物理场接口进行5000h的瞬态计算求解，并对得到的稳态和瞬态数据进行后处理，进而得到所需要的云图和曲线图。
具体的，在对几何模型进行网格划分时，在使用结构化网格的同时，注意在阴极和阳极流道设置边界层网格，并且靠近电解质区域的位置提高网格密度，进一步提高求解精度。
具体的，在设置多物理场时，浓物质传递和自由和多孔介质流两个接口之间设置为反应流；二次电流密度和固体传热接口之间设置成电化学热。
具体的，在进行研究一求解器设置时，首先通过三个独立的步骤求解电流分布和流动，最后通过连续辅助扫描来求解一系列不同电池极化电压，以及不同极化电压下对应的温度和热应力的大小。在最后一个求解步骤辅助扫描中添加V_pol(初始电池极化)：0.05range(0.1，0.1，0.8)用来实现上述连续辅助扫描求解极化电压的目的，并把最后一个求解步骤改为分离式求解，以便提高求解速度；在进行研究二求解器设置时，时间单位选定为h，时间步设置为range(0，1000，5000)。
具体的，对求解后的数据进行后处理，当获取二维状态曲线时，首先定义曲线X轴和Y轴变量，数据集选定当点的研究解，然后求解的参数进行曲线绘制；当获取三维云图时，首先选定三维绘图组，然后确定需要获得云图的几何模型部位，进一步确定云图所表达的物理参量表达式，绘制所需要的3D云图。
例如，想得到单电池模拟结果中的极化曲线，首先选择一维绘图组，并在当前节点下面选取全局，然后将X轴定义为电池的平均电流密度，将Y轴设为电池的电压，数据集选择来自研究一，即可绘制出电池的极化曲线，如图4所示。
再如，通过三维绘图组下的体节点，数据集来源选定为研究一，再选择整个模型的所有域，在体节点表达式内输入固体传热物理场接口中的因变量T2，即可得到整个电池的物理场分布云图。
再如，通过三维绘图组下的体节点，数据集来源选定为研究二，再选择整个模型的所有域，在体节点表达式一栏替换表达式选项中选中第一主应力表达式，即可得到考虑阳极蠕变后整个电池的第一主应力场分布云图。
再如，通过三维绘图组下的体节点，数据集来源选定为研究二，再选择电池模型的阳极区域，在体节点表达式一栏替换表达式选项中选中有效蠕变应变表达式，即可得到整个电池阳极区域有效蠕变应变的分布云图，如图5所示。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，建立SOFC三维单电池多物理场模型；
步骤二，全局定义SOFC的物理参数及边界条件；
步骤三，对SOFC的单电池多物理场模型进行物理场设定，并进行网格划分；
步骤四，对三维SOFC数值模型进行稳态求解，得到与时间无关的单电池极化曲线、温度场和应力场分布结果；
步骤五，将稳态求解得到的应力和应变结果作为预应力和预应变，对电池阳极的蠕变效应进行计算，并将考虑阳极蠕变效应的电池内部应力场与步骤四得到的应力场进行对比；
步骤六，分别绘制应力场分布云图、应变场分布云图、温度场分布云图、气体摩尔分数分布云图、电池极化曲线、功率曲线，以及它们随时间变化的曲线，先分类进行分析，然后综合汇总分析，得出多物理场影响下电池的最优化设计。
2.如权利要求1所述的一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，其特征在于，步骤一中，建立SOFC关键构件的多物理场模型，其中，关键构件包括阳极流道、阳极电极、电解质、阴极电极、阴极流道和连接体材料，物理场包含质量、动量、热量、电化学反应以及固体力学。
3.如权利要求2所述的一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，其特征在于，SOFC模型假设条件包括：
a、假设气体混合物由理想气体组成；
b、电化学反应发生在电极层的边界界面；
c、假设多孔电极是各向同性并宏观均匀；
d、假设连接体是极好的导体，忽略其欧姆热的产生；
e、认为气体混合物的热容与温度无关；
f、SOFC电压等于阳极和阴极之间的电压差；
g、忽略连接体通过辐射机制传递的热量；
h、忽略SOFC多孔介质部分发生的收缩和膨胀变形；
i、假设SOFC关键构件的部分物理参数不随温度的变化而变化。
4.如权利要求1所述的一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，其特征在于，步骤二中，物理参数包括：阳极、阴极、电解质、连接体材料各自的密度、导热系数、导电率、热膨胀系数、泊松比和弹性模量；多孔材料的渗透率和孔隙率；气体参数包括燃料气体、空气的动力粘度、摩尔质量、比热容和导热率；蠕变参数包括蠕变率系数、蠕变应力指数、蠕变激活能；
边界条件包括：在流场出口处设置为压力出口边界，并且流体与壁之间为无滑移；对电池流体入口和出口其余的部分均采用热绝缘边界；求解电池内部热应力时对整个电池模型固体部分施加刚体抑制运动的边界。
5.如权利要求1所述的一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，其特征在于，步骤三中，对SOFC涉及到的物理场进行域的选择及参数设定，并进行多物理场耦合设置，使物理场进行参数设定时是采用经过耦合得到的结果；整个模型的网格采用结构化网格，在阳极和阴极流道部分加入边界层网格且靠近电解质的部分使用加密网格。
6.如权利要求1所述的一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，其特征在于，步骤四中，对不涉及电池阳极蠕变的多物理场模型进行稳态求解计算，得到与时间无关的电池极化曲线、温度场和应力场分布结果，并绘制相应分布云图。
7.如权利要求1所述的一种多物理场耦合作用下SOFC数值模拟方法，其特征在于，步骤五中，加入阳极蠕变效应后，以步骤四的稳态求解结果作为本步骤瞬态计算的初始值进行求解计算，得到SOFC长时间运行后考虑阳极蠕变条件下的应力场分布结果。
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