金属支撑型固体氧化物电解池的3D建模与性能分析.pdf

金属支撑型固体氧化物电解池的 3D 建模与性能分析张梦茹1，王恩华1，胡浩然2，欧阳明高2，王贺武2，卢兰光2（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081；2.清华大学 车辆与运载学院，北京100084）摘 要：建立了一种铈基电解质的金属支撑型固体氧化物电解池的三维模型，通过多物理场耦合分析了其电化学工作性能.设计的 3 层电解质结构为 10Sc1CeSZ|GDC|10Sc1CeSZ,以 GDC 为主电解质.针对连接体、流体域和多层单电池结构建立了三维模型，将质量、动量、能量控制方程与物质输运方程和电化学反应耦合建立多物理场分析模型.研究了设计的金属支撑型固体氧化物电解池的电化学工作性能，详细分析了电池内部的速度场、浓度场和温度场分布.结果表明，设计的金属支撑型固体氧化物电解池在 650 C 下，电流密度为 2.4 A/cm2时，电压损失为0.38 V，欧姆损失和极化损失分别占 33.72%和 66.28%.采用金属支撑对气体的输运仅有轻微的影响，但是整个电池内部的温度分布均匀性得到明显改善.关键词：固体氧化物电解池；金属支撑；铈基电解质；多物理场模型；极化曲线中图分类号：TK91 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2024)01-0069-07DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2023.0493D Simulation and Performance Analysis of a Metal-Supported SolidOxide Electrolysis CellZHANG Mengru1，WANG Enhua1，HU Haoran2，OUYANG Minggao2，WANG Hewu2，LU Languang2（1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.State Key Laboratory ofAutomotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,China）Abstract：In order to evaluate the electrochemical performance of a metal-supported solid oxide electrolysis cellwith ceria-based electrolyte,a three-dimensional(3D)multi-physical model was established.A triple-layer elec-trolyte structure,10Sc1CeSZ|GDC|10Sc1CeSZ,was designed with GDC as the main electrolyte layer.Firstly,the 3D model was built,considering the structures of interconnect,flow passage,and the multilayer cell.Secondly,coupling the conservation equations of mass,momentum and energy with mass transport and electro-chemical reactions,a multi-physical 3D model was established to estimate the electrochemical performance ofthe designed metal-supported solid oxide electrolysis cell,and to analyze the distributions of the fields of the ve-locity,concentration,and temperature in detail.The results show that the designed metal-supported SOEC canprovide a better electrochemical performance,the overall voltage loss is 0.38 V with the ohmic and activationlosses take up 33.72%and 66.28%respectively,under the condition of 650 C,current density of 2.4 A/cm2.Though,the porous metal support shows a little impact on the mass transport,but the temperature uniformity in-side the cell can be improved significantly due to the better thermal conductivity of metal support.Key words：solid oxide electrolysis cell(SOEC)；metal support；ceria-based electrolyte；multi-physical model；polarization curve 收稿日期：2023 04 19基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB2500400）作者简介：张梦茹（1991），女，博士生，E-mail：.通信作者：王恩华（1977），男，副教授，E-mail：.第 44 卷第 1 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.44No.12024 年 1 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyJan.2024为促进我国的碳达峰和碳中和工作顺利进行，加快产业结构的优化1，需要积极发展清洁能源2 3.氢能作为 21 世纪的“终极能源”，是一种高效、零碳、应用场景丰富的环境友好型绿色能源4 5.固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell,SOEC）采用全固态电池结构6，具有效率高7 8、成本低、寿命长等诸多优势9 10.相比低温的碱性电解池和质子交换膜电解池，SOEC 在高温下运行，能有效降低电能消耗，提高电解效率11.与低温燃料电池技术相比，SOFC 发电具有很大的发展潜力，但技术尚未成熟.由于研究 SOFC 内部的详细过程的实验成本高且难度大，因此仿真建模是 SOFC 系统设计过程中非常重要的工具 12.诸多学者开展了 SOFC 的流体仿真工作13 15，电池的三维结构设计对电堆内的流场和浓度场等的分布有重要影响16 18，进而影响到电堆的工作性能.CHEN 等19建立了单电池 SOFC 堆的三维电化学多物理场耦合模型，研究了平行圆柱流场对 SOFC 性能的影响.采用新型平行圆柱形流场的 SOFC 电堆的电流密度可提高 38%，反应物分布均匀性提高了 60%.GUO等20研究了连接体设计对 SOFC 性能的影响，采用三维 CFD 对比了传统肋、离散肋、交错菱形肋、窄肋、连续波状肋、梯形肋和交错长方体肋的工作性能.与传统的基于平行流道的连接体设计相比，新型的连接体可以实现 SOFC 阴极中的 O2更均匀分布，SOFC 的峰值功率密度可调高 27.86%.金属支撑 SOEC 可在 700 C 以下的中低温环境下工作，有效提高电池的可靠性和耐久性21.目前关于金属支撑型的数值研究较少，并且基本上采用零维模型进行分析，对电堆内部工作的电流密度和温度场等的分布特性还缺乏了解.ZHANG 等22建立了金属支撑型 SOEC 的零维数学模型，详细分析了结构参数和运行条件对电池性能的影响.结果表明，电极的孔隙率和弯曲度影响到电极的质量输运，从而影响到浓差损失和电池性能.此外，运行电压越高越有助于电池电解，但是当电压超过 0.3 MPa 时，其对电解性能影响的显著性降低.首先，零维模型仅能在有限的变化因素上解释电池性能降低的原因，但是不能直观描述产生电池性能降低的变化关系；其次，低维的模拟需要附加更多的假设条件，因此与实际电池中发生的过程存在较大的出入.因此，针对设计的一种铈基电解质的金属支撑 SOEC，本研究采用三维数值仿真方法分析了 SOEC 单电池的电化学工作性能和内部多物理场分布特性.首先根据设计的金属支撑 SOEC 单电池，建立了单通道的三维多物理场模型.设计的金属支撑 SOEC 在 650 C 的高温下运行，内部的热辐射可能会影响 SOEC 的工作性能.因此，建立的模型还耦合了辐射传热模型.随后，基于仿真结果分析了该金属支撑 SOEC 在 650 C 的电解性能，并进一步详细地分析了单电池内部的物质传输和电化学反应以及温度场的变化特性.研究结果可为下一步金属支撑 SOEC 的设计开发提供参考.1 金属支撑型 SOEC 物理模型GDC 电解质基23的金属支撑固体氧化物燃料电池可以在中低温下展现较好的电化学性能.由于SOEC 的工作电流较大，ZHANG 等22研究了一种可降低电解质氧分压的金属支撑 SOEC，其单电池结构如图 1 所示.LSCF-GDC复合阳极致密GDC电解质层致密SSZ电解质薄层致密SSZ电解质薄层Ni-GDC陶瓷阴极铁素不锈钢基底基底活化区域内的孔图 1 设计的金属支撑 SOEC 结构图22Fig.1 Designed metal-supported SOEC with a triple-layer of electrolyte 22 图 2 表示 SOEC 工作时，内部发生传热传质和电化学反应等物理化学过程24.阴极阳极水蒸气入口H2OH2O+2eH2O+2O2O2O2O2+2e21氧气出口O2燃料气出口H2氢电极氧电极电解质图 2 SOEC 工作原理图Fig.2 SOEC working principal diagram 用不可压缩的纳维-斯托克斯(N-S,Navier-Stokes)方程描述开放流道中的流动，Brinkman 方程描述多孔电极内的流动.采用 ButlerVolmer 方程描述电极反应层内电荷转移的电流密度25，氢气侧：70北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷ic=AviH20,ref(CH2CH2,ref)H2exp(nFact,caRT)exp(1)nFact,caRT)（1）氧气侧有：ia=AviO20,ref(CO2CO2,ref)O2exp(nFact,anRT)exp(1)nFact,anRT)（2）iH20,refiO20,refCH2,refCO2,ref式中：和分别为氢气和氧气的参考交换电流密度,(A/m2)；和分别为 H2和 O2的参考浓度；R 为气体常数，J/(molK)；T 为温度，K；为活化过电压，V；单位体积的反应表面积 Av采用 IORA P-等26 28提出的二元球粒子随机填充模型.基于局部热平衡的假设，介质内的能量方程可表示为(T)=SqcpuT（3）式中：为热导率，W/(mK)；cp为比热容，J/(kgK).对于空气和燃料流道壁面，包含热辐射在内的净辐射热量密度为28n(T)=h(TwTf)+qr（4）式中：h 为对流传热系数，W/(m2K)；qr为表面净传热速率，W/m2.根据图 1 设计的金属支撑 SOEC 单电池结构，建立了单通道的单电池几何模型，具体如图 3 所示.表 1列出了具体的 SOEC 单电池的几何结构尺寸.连接体电池长度yzxyzx氢电极出口空气出口连接体氢电极入口空气入口电解质阻挡层主电解质层电解质阻挡层氧电极扩散层氧电极反应层氢电极金属支撑体图 3 建立的单通道金属支撑 SOEC 几何模型Fig.3 Geometric model of single-channel metal supported SOEC 建立的金属支撑 SOEC 各部分材料的热物理和相应的电池的主要参数可参考文献 17,29.建立的多物理场的边界条件设置如表 2 所示.为研究金属支撑 SOEC 的工作性能，首先对 SOEC模型的计算精度进行了验证.基于文献 17 中的 SOFC模型，在 COMSOL 6.0 软件中建立了相应的三维仿真模型，仿真得到的结果与文献的对比如图 4 所示.仿真结果与实验结果的误差保持在3.05%以内，具有良好的一致性.表 1 金属支撑 SOEC 单电池几何结构尺寸Tab.1 Geometric parameters of designed metal-supportedSOEC结构尺寸/m数值气体流道长度2.0102气体流道高度1.0103气体流道宽度1.0103阴极反应层厚度20.0106氢气侧10Sc1CeSZ电解质层厚度1.0106GDC电解质厚度5.0106氧气侧10Sc1CeSZ电解质层厚度1.0106阳极反应层厚度25.0106阳极扩散层厚度13.0106金属基底厚度100.0106集流板高度1.5103集流板宽度1.0103 表 2 金属支撑 SOEC 多物理场模型边界条件Tab.2 Boundary conditions of multi-physical field model formetal supported SOEC边界位置施加条件数值/单位阴极侧集流体电势1.11.8/V阳极侧集流体接地0/V空气流道入口速度5.0/(ms1)摩尔分数0.790.21(N2O2)温度923.15/K燃气流道入口速度3.0/(ms1)摩尔分数0.10.9(H2H2O)温度923.15/K 1.2电压/V1.00.80.60.40.200.51.01.52.02.53.0电流密度/(Acm2)Jung et al.2006Zeng et al.2012模拟结果图 4 建立的三维多物理场模型预测结果与文献 17,25 的结果对比Fig.4 Comparison of predicted results of the 3D multi-physical field modelwith those in literature 17,25 第 1 期张梦茹等：金属支撑型固体氧化物电解池的 3D 建模与性能分析712 结果与讨论设 SOEC 的初始工作温度为 923.15 K，运行压力为 0.1 MPa,氢气侧水蒸气流量为 3.0 m/s，氧气侧空气流量为 5.0 m/s.利用 COMSOL 6.0 软件，对设计的金属支撑 SOEC 内部的工作过程进行了仿真分析.2.1 极化曲线图 5(a)为金属支撑 SOEC 的极化曲线.随着电流密度的增加，电池工作电压逐渐增大.开路电压为1.05 V，当电流密度为 3A/cm2时，输出电压为 1.46 V，增加了 0.41 V，说明金属支撑 SOEC 在大电流密度下运行时存在较大的极化损失.基于 COMSOL 软件的计算结果，利用 MATLAB 计算了 MS-SOEC 的各极化损失的具体数值，计算结果如图 5(b)所示.图 5(b)显示了金属支撑 SOEC 工作时欧姆损失和极化损失随电流密度的变化曲线.欧姆损失随电流密度的增加近似线性增加.当电流密度为 0.4 A/cm2时，总电压损失为 0.19 V，极化损失和欧姆损失分别占 84.26%和 15.74%；电流密度为 2.4 A/cm2时，总电压损失为0.38 V，极化损失和欧姆损失分别占 66.28%和 33.72%.不同电流密度工况下，极化损失的占比始终明显大于欧姆损失，这是由于小电流密度下活化极化损失占比较大，而在大电流密度下浓差极化损失占比较大，因此作为二者之和的极化损失占比始终较大.(a)极化曲线(b)极化损失和欧姆损失随电流密度的变化曲线1.51.41.31.21.11.000.40.81.21.62.02.42.800.40.81.21.62.02.42.84.53.62.71.80.90电压/V极化电压/V电流密度/(Acm2)功率密度/(Wcm2)1.61.20.80.40电压功率运行电压欧姆损大极化损失电流密度/(Acm2)图 5 650 下设计的金属支撑 SOEC 的工作性能Fig.5 Work performance of metal supported SOEC under 650:2.2 流场分析流道内 H2O、H2、O2的浓度沿 x 轴方向的变化曲线如图 6 所示，其中的浓度值为在对应 x 处的流道yz 平面内的平均值.沿着流动方向，氢气侧的 H2O 的摩尔浓度逐渐下降，对应的 H2浓度从入口处的 0.1逐渐增加到出口处的 0.31，氧气侧的 O2浓度从入口的 0.21 逐渐增加到 0.26.图中还显示了氢气侧和氧气侧的平均温度变化.氢气侧的温度变化范围较大，温度先从 949.36 K 快速上升，到 1.16 cm 附近达到最大值 954.55 K，随后又稍有下降，出口处温度为 954.03 K.氧气侧的温度变化呈现相似的趋势，但是变化范围明显小很多，基本维持在 931.0 K 附近，这主要是因为氧气侧通入的空气流量较大，与阴极之间的热交换量也更大，避免了温度的快速上升.前半段的温度迅速上升主要受到水蒸气浓度的影响，靠近入口附近，水蒸气浓度较大，电化学反应的活化极化较低，随着 H2O、H2和 O2浓度的变化，过电势加大，导致产热增加，温度升高.金属支撑体和流道内的 H2浓度沿 X 轴的分布云图如图 7 所示.图 7(a)为金属支撑体中间位置截面的 H2浓度分布，沿 X 轴方向的变化趋势与图 6 中的 0.900.750.600.450.300.1500.51.01.52.0H2O摩尔浓度H2摩尔浓度O2摩尔浓度氢气侧温度氧气侧温度x/cm摩尔浓度/%温度/K954.2952.9951.6950.3949.0932.4931.8931.2930.6930.0图 6 金属支撑 SOEC 内沿流道方向主要组分的平均摩尔浓度及温度变化曲线Fig.6 Mean concentrations of main components and temperature curvesalong the flow passage in the metal supported SOEC72北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷结果类似.同时，在接近进出口位置处，连接体接触界面附近的 H2浓度与流道附近的 H2浓度差别较小，但是在中间位置附近二者之间的差异较大.图 7(b)为对应流道与金属支撑体接触界面处的 H2浓度分布，其变化趋势与多孔金属支撑体内的变化趋势一致，仅在数值上有 0.02 左右的下降.(a)与金属支撑H2摩尔浓度分布(b)与氢电极接触界面H2摩尔浓度分布0.350.300.280.180.200.220.240.260.350.300.280.180.200.220.240.260.100.10摩尔分数摩尔分数yxzyxz图 7 金属支撑体中间截面的和金属支撑与氢电极接触界面的 H2摩尔浓度分布Fig.7 Distribution of H2 concentration in the middle plane of metal support and the interface between metal support and hydrogen electrode 2.3 电流密度分布图 8 显示了 GDC 主电解质内部的氧离子电流密度，在左侧入口处的电流密度为 2.67 A/cm2，电流密度沿 X 轴方向逐渐降低，右侧出口处的电流密度为2.18 A/cm2.这主要是由于参与反应的 H2O 的浓度沿轴向方向逐渐减小.在电池运行过程中，在靠近入口附近，电流密度变化较为剧烈，在连接体与单电池接触区域的边缘的电流密度明显高于附近区域.另一方面，在 x=0.4 cm 处，对应流道中心点区域出现电流密度突然增大的现象，这主要是因为此处的 H2O 浓度较高，同时局部温度也较高，导致此时的电化学反应较为剧烈.2.4 温度场分析图 9 显示了在 x 轴向 x=0.1 cm 和 1.9 cm 的两个不同切面上的温度分布云图.图 9(a)中最高温度位于 GDC 电解质的中心点，约为 974.38 K，沿着 GDC电解质中心向两侧逐渐降低，左右两侧的温度降低到 947.17 K.在 10Sc1CeSZ 电解质层，也呈现类似的变化规律，温度从中心的 962.03 K 逐渐降低到两侧的 947.16 K.相应地，金属支撑的温度从中心区域的958.67 K 向两侧逐渐降低，边沿处的最低温度为950.28 K.连接体内部的温度分布总体上比较均匀，氢气侧的连接体温度约为 953.87 K，氧气侧的连接体温度约为 926.19 K.图 9(b)显示了类似的变化趋势，但是中心区域的高温区的温度有所升高，且高温区 电流密度/(Acm2)2.672.552.502.452.402.352.302.252.202.18yxz图 8 沿厚度方向 GDC 电解质中心位置处的 xy 截面电流密度分布Fig.8 The xy section current density distribution at the center position alongthe GDC electrolyte thickness direction(a)x=0.1 cm(b)x=1.9 cm T/K974970965960955950945923T/K976970965960955950945923yxzyxz图 9 金属支撑 SOEC 在进出口附近的温度分布云图Fig.9 Temperature distribution on two typical positions of YZ section in the metal supported SOEC第 1 期张梦茹等：金属支撑型固体氧化物电解池的 3D 建模与性能分析73域的面积明显扩大，在氢气侧和氧气侧的流道内也分别出现了局部的高温区.在 x=0.1 cm 截面内的 GDC电解质的最高温度为 974.38 K，在 x=1.9 cm 截面内的 GDC 电解质的最高温度为 976.39 K.在 yz 截面内的温度分布主要由三个方面的原因：首先，最高温度出现在中心位置，也即是电极和电解质的反应区域，虽然 SOEC 是吸热反应，但是由于电化学反应剧烈，电流密度较大，产生了大量的欧姆热；其次，支撑体的导热率为 20 W/(mK)，使得从电池中心位置产生的热量在金属基底和连接体内快速传播；最后，造成进出口不同位置处二者分布的原因，一是氧气侧温度分布相似，氧气侧通入的空气流量较大，与阴极之间的热交换量也更大，避免了温度的快速上升；二是由于氢气侧是相对流量较小的水蒸气，因此对电化学反应热量的反应较为敏感，温度沿轴向方向变化幅度较大.3 结论为研究金属支撑型固体氧化物电解池的传质传热性能，建立了计算金属支撑型固体氧化物电解池性能的三维多物理仿真模型.详细研究了电解池内部的速度、浓度和温度分布以及电化学反应情况,对多层电解质设计的金属支撑型固体氧化物电解池的性能进行了评估.主要结论如下.沿着平行流道方向，H2的摩尔浓度从 0.1 近似线性增加到 0.31，O2的摩尔浓度从 0.21 近似线性增加到 0.26，而 H2O 的浓度从 0.9 逐渐下降 0.64，H2摩尔浓度上升速度大于 O2摩尔浓度.在流道的前半段，氢气侧和氧气侧流道内的流体温度出现较为明显的升高，氢气侧的流体温度从 949.36 K 上升到 954.55 K，氧气侧的流体温度从 930.57 K 上升到 932.07 K，在流道的后半段，二者的温度基本维持不变，仅有轻微的下降.采用金属支撑有利于提高 SOEC 内部温度均匀性.在流道入口的 x=0.1 cm 截面内的 GDC 电解质的平均温度为 949.88 K，在流道出口附近的 x=1.9 cm截面内的 GDC 电解质的平均温度为 954.97 K，温度仅增加了 5.09 K.参考文献：雷超,李韬.碳中和背景下氢能利用关键技术及发展现状J.发电技术,2021,42(2):201 217.LEI Chao,LI Tao.Key technologies and development status 1 of hydrogen energy utilization under the background of carbonneutralityJ.Power Generation Technology,2021,42(2):201 217.(in Chinese)张文强,于波.高温固体氧化物电解制氢技术发展现状与展望 J.电化学,2020,26(2):212 229.ZHANG Wenqiang,YU Bo.Development status andprospects of hydrogen production by high temperature solidoxide electrolysisJ.Journal of Electrochemistry,2020,26(2):212 229.(in Chinese)2 王震坡,黎小慧,孙逢春.产业融合背景下的新能源汽车技术发展趋势 J.北京理工大学学报,2020,40(1):1 10.WANG Zhenpo,LI Xiaohui,SUN Fengchun.Developmenttrends of new energy vehicle technology under industrialintegrationJ.Transactions of Beijing Institute of Technology,2020,40(1):1 10.(in Chinese)3 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