本案例利用comsol計算SOEC在波動電能輸入情況下的動態特性研究。

1.背景描述

為實現我國環境質量將實現根本性好轉，在能源方面將全面推進能源清潔化和高效化改革，進一步降低化石能源消費增長速度，全面推動化石能源減量化消費，“十四五”期間非化石能源占能源消費比例達到18%左右。風能、太陽能等可再生能源由于其環保特性，在電力生產中發揮著越來越重要的作用。但是，可再生能源具有高度的間歇性、波動性和時效性，難以融入現有電網，需要進行能源儲存。基于可逆電化學反應的電解技術提供了一種“波動電-燃料”的新路徑，這一路徑可以電解H2O產出H2等符合新型能源結構的綠色燃料，通過與可逆固體氧化物電池技術的結合，電網的儲能產業與電解的制氫產業極有可能互助互利，即采用可再生能源波動性電能進行電解水，使得儲能成本能夠進一步降低，同時也將間接性問題產生的大量棄電轉化為氫能，實現高效的可再生能源消納。整個過程沒有碳排放，對環境友好，實現真正的綠氫生產，具有廣闊的市場和前景。

2.Comsol設置

• 啟動Comsol軟件選擇二維軸對稱

• 選擇自由和多孔介質流動、濃物質傳遞、二次電流分布和多孔介質傳熱模塊

• 選擇穩態求解器

2.1幾何與網格設置

• 進入幾何面板，更改單位為um。

• 右鍵幾何，選擇矩形，設置幾何圖形的長度與寬度。

模型陰極支撐層、陰極活性層、電解液和陽極的厚度分別為760 mm、10 mm、10 mm和15 mm。本案例的計算模型如圖所示。

• 進入網格設置界面，選擇用戶控制網格

  
  

• 右鍵網格，選擇映射，在映射面板選擇區域

• 右鍵映射，選擇分布，在分布面板選擇邊界，并設置邊界上的節點數目。

電極上發生電化學反應，計算量大，需要采用更加密集的網格。最終網格如圖所示。

 2.2自由和多孔介質流動

• 點擊自由和多空介質流動(fp1)，選擇燃料極所包括區域

• 點擊流體屬性，填寫對應的密度與粘度。（這里設置的是流道的流動）
  

• 右鍵自由和多空介質流動(fp1)，添加流體與基體屬性，選擇對應的區域，設置相應的密度，粘度，孔隙率，滲透率。（這里設置的是多空電極與支撐層的流動）

• 右鍵自由和多空介質流動(fp1)，添加出口邊界條件和入口邊界條件，選擇對應邊界，入口邊界條件設置標準流率(SCCM)，出口邊界條件選擇壓力出口。

• 右鍵自由和多空介質流動(fp1)，添加多孔電極耦合，選擇對應區域，設置反應系數，特別注意化學計量數的正負，可以通過計算結果判斷設置是否有誤。

• 空氣極設置與燃料極設置類似，選擇相應的區域，填寫對應的物理參數即可

2.3濃物質傳遞

• 點擊濃物質傳遞(tsc)，選擇燃料極對應區域。

• 點擊傳遞屬性，選擇相應區域，設置相溫度，壓力，各物質的摩爾質量和擴散系數。（這里設置的是燃料極流道）

• 右鍵濃物質傳遞(tsc)，添加傳遞屬性，選擇對應的區域，置相溫度，壓力，各物質的摩爾質量和擴散系數。（這里設置的是燃料極支撐層和電極）

• 右鍵濃物質傳遞(tsc)，添加入口邊界條件和出口邊界條件，選擇對應邊界，入口需要設置混合物的摩爾分數。

• 右鍵濃物質傳遞(tsc)，添加多孔電極耦合，選擇對應區域，設置反應系數，特別注意化學計量數的正負，可以通過計算結果判斷設置是否有誤。

• 如果帶有化學反應，可以添加反應源項，通過反應常數，計算對應物質的生產量和消耗量。

• 空氣極設置和燃料極類似

2.4二次電流分布

• 點擊二次電流分布，選擇電化學反應發生區域

• 點擊電解質，選擇對應區域，設置電導率

• 右鍵二次電流分布，添加多孔電極1，為燃料極，首先設置燃料極電子電導率和電解質電導率。

• 點擊燃料極多孔電極反應，設置平衡電位，交換電流密度，傳遞系數和活性比表面積。

• 右鍵二次電流分布，添加多孔電極2，為空氣極，然后設置空氣極極電子電導率和電解質電導率。

• 點擊空氣極多孔電極反應，設置平衡電位，交換電流密度，傳遞系數和活性比表面積。

• 右鍵二次電流分布，添加電接地和電勢，選擇對應的邊界。

2.4多孔介質傳熱

• 點擊多孔介質傳熱，選擇所有域

• 點擊多空介質（燃料極），選擇對應區域設置氣體相和固體相熱物理特性

• 右鍵多孔介質傳熱，添加多空介質（空氣極），選擇對應區域設置氣體相和固體相熱物理特性

• 右鍵多孔介質傳熱，添加流體（燃料極和空氣極兩個），選擇對應區域，設置氣體相熱物理特性

• 右鍵多孔介質傳熱，添加熱源（燃料極，電解質和空氣極三個），選擇對應區域，設置廣義源

• 右鍵多孔介質傳熱，添加熱源（反應熵變），選擇對應區域，設置用戶定義廣義源

• 右鍵多孔介質傳熱，添加溫度入口（燃料極和空氣極2個），選擇邊界，設置入口溫度

• 右鍵多孔介質傳熱，添加出口邊界條件，選擇邊界

• 右鍵多孔介質傳熱，添加固體，設置電解質的熱物理特性

3耦合求解

• 解耦求解，禁掉二次電流分布，多孔介質傳熱。首先只求解自由和多孔介質流動和濃物質傳遞模塊，結果為解1。

• 打開二次電流分布，在解1的基礎上，耦合電場求解，結果為解2。

• 再把每個部分的多孔電極耦合系數選上，在解2的基礎上耦合求解，結果為解3。

• 打開多孔介質傳熱，耦合每部分溫度和參數溫度，在解3的基礎上求解，得出最后的耦合解。

4結果

通過將模擬結果與相同工況下的實驗數據進行比較，驗證了搭建的多物理場模型的有效性（操作條件如表1所示）。兩組數據在低工作電壓下表現出較高的一致性，而在高工作電壓下則有相對較大的差異。總體而言，差異較小(相關效率，r = 0.994)，如圖所示。

 

表1 模型驗證的操作參數

參數	值	單位
陰極氣體流量	350	SCCM
陽極氣體流量	350	SCCM
陰極氣體組成	28.6%CO2+28.6%H2O+14.3%H2+28.6%Ar
陽極氣體組成	Air（21%O2+79%N2）
氣體入口溫度	1023	K
外加電壓	0.9-1.4	V

模擬結果與實驗數據的V-I特性。

文章來源：Solid Oxide Cell