分会场

燃料电池与储能

摘要

碳中和是一场绿色的革命。面向碳中和的未来能源，亟需一系列颠覆性、变革性的能源技术作为支撑。高温共电解技术指利用高温固体氧化物电解池（SOEC），直接电解H2O和CO2生成比例可控的合成气，通过耦合费托合成工艺，可以实现可再生合成燃料的规模化制备。 SOEC高温共电解是典型的多相体系中的跨尺度多场耦合的过程。本研究在介观尺度的模拟主要涉及SOEC电极内的组分传递特征以及多孔介质内的气固非均相反应，而宏观尺度模拟主要关注电解池堆的热、质、电协同耦合机制，从而对SOEC电化学和热力学性能进行调控，寻求最优的能量管理和经济性策略。如图1所示，通过从介观到宏观，从零维到多维的仿真研究，有助于突破高温共电解的跨尺度能量转换与能质传递的关键瓶颈。 介观尺度上，本课题组开发了基于非平衡热力学理论的SOEC电极相场模型。针对平板型电解质支撑电池的Ni/YSZ燃料极，计算了电极在850摄氏度下1800小时下镍相的重构演化结果，研究表明Ni/YSZ燃料极性能衰减的主要原因是微结构演化导致的功能层三相界面密度下降。基于上述原理设计了新型功能梯度燃料电极，通过计算，该电极衰减率低于传统电极。针对介观尺度上的电极电化学性能仿真，本研究采用了多弛豫时间的格子-玻尔兹曼方法对三维空间的SOEC多孔介质电极的组分传质和电场分布进行计算。针对Ni/CGO燃料极，考虑掺杂氧化铈的混合离子电子导电特性，探究了两相界面密度和三相界面密度下的电化学活化极化。基于上述结果，开发了介观尺度下的新型包覆式电极结构，从而最大化地减少混合离子电子导体电极在共电解条件下的活化极化。 宏观尺度上，本课题组基于Simulink软件和Fluent UDF模块，分别建立了零维和三维SOEC多物理场模型。采用混合建模优化策略，建立多物理场模型和数据驱动模型的内在联系。通过神经网络和差分进化算法完成电堆最优工况设计，阐明了SOEC电堆进气温度、进气流量、电流密度等入口参数和电堆输出参数之间的热、质、电的复杂耦合关系，为电堆控制策略提供指导。进一步，本研究将零维电堆模型耦合经济性评估模块，基于SOEC-FT工艺，建立了由CO2和H2O共电解制备合成柴油的技术经济性模型。基于该模型，计算可得500mA/cm2电流密度下可以实现高性能、高稳定性和低成本三者的有机统一。未来随着可再生电力成本下降，碳交易价格升高，SOEC技术成熟度提高，基于SOEC-FT路线，由CO2和H2O制备的合成柴油价格为112美元/桶，低于现有柴油价格。 综上所述，基于固体氧化物电解池的H2O和CO2高温共电解跨尺度仿真研究可以从电极微结构调控，单电池理论设计，电堆运行策略开发等角度，为可再生合成燃料高效率、规模化制备提供理论基础。

关键词

固体氧化燃料电池;可再生合成燃料;共电解;数值仿真;跨尺度

电子U盘全文仅限大会已缴费参会代表下载。

您还没有登录，请您先 点击这里登录