耦合可再生能源高温电解制氢动态特性研究

本案例利用comsol计算SOEC在波动电能输入情况下的动态特性研究。

1.背景描述

为实现我国环境质量将实现根本性好转，在能源方面将全面推进能源清洁化和高效化改革，进一步降低化石能源消费增长速度，全面推动化石能源减量化消费，“十四五”期间非化石能源占能源消费比例达到18%左右。风能、太阳能等可再生能源由于其环保特性，在电力生产中发挥着越来越重要的作用。但是，可再生能源具有高度的间歇性、波动性和时效性，难以融入现有电网，需要进行能源储存。基于可逆电化学反应的电解技术提供了一种“波动电-燃料”的新路径，这一路径可以电解H2O产出H2等符合新型能源结构的绿色燃料，通过与可逆固体氧化物电池技术的结合，电网的储能产业与电解的制氢产业极有可能互助互利，即采用可再生能源波动性电能进行电解水，使得储能成本能够进一步降低，同时也将间接性问题产生的大量弃电转化为氢能，实现高效的可再生能源消纳。整个过程没有碳排放，对环境友好，实现真正的绿氢生产，具有广阔的市场和前景。

2.Comsol设置

• 启动Comsol软件选择二维轴对称

• 选择自由和多孔介质流动、浓物质传递、二次电流分布和多孔介质传热模块

• 选择稳态求解器

2.1几何与网格设置

• 进入几何面板，更改单位为um。

• 右键几何，选择矩形，设置几何图形的长度与宽度。

模型阴极支撑层、阴极活性层、电解液和阳极的厚度分别为760 mm、10 mm、10 mm和15 mm。本案例的计算模型如图所示。

• 进入网格设置界面，选择用户控制网格

  
  

• 右键网格，选择映射，在映射面板选择区域

• 右键映射，选择分布，在分布面板选择边界，并设置边界上的节点数目。

电极上发生电化学反应，计算量大，需要采用更加密集的网格。最终网格如图所示。

 2.2自由和多孔介质流动

• 点击自由和多空介质流动(fp1)，选择燃料极所包括区域

• 点击流体属性，填写对应的密度与粘度。（这里设置的是流道的流动）
  

• 右键自由和多空介质流动(fp1)，添加流体与基体属性，选择对应的区域，设置相应的密度，粘度，孔隙率，渗透率。（这里设置的是多空电极与支撑层的流动）

• 右键自由和多空介质流动(fp1)，添加出口边界条件和入口边界条件，选择对应边界，入口边界条件设置标准流率(SCCM)，出口边界条件选择压力出口。

• 右键自由和多空介质流动(fp1)，添加多孔电极耦合，选择对应区域，设置反应系数，特别注意化学计量数的正负，可以通过计算结果判断设置是否有误。

• 空气极设置与燃料极设置类似，选择相应的区域，填写对应的物理参数即可

2.3浓物质传递

• 点击浓物质传递(tsc)，选择燃料极对应区域。

• 点击传递属性，选择相应区域，设置相温度，压力，各物质的摩尔质量和扩散系数。（这里设置的是燃料极流道）

• 右键浓物质传递(tsc)，添加传递属性，选择对应的区域，置相温度，压力，各物质的摩尔质量和扩散系数。（这里设置的是燃料极支撑层和电极）

• 右键浓物质传递(tsc)，添加入口边界条件和出口边界条件，选择对应边界，入口需要设置混合物的摩尔分数。

• 右键浓物质传递(tsc)，添加多孔电极耦合，选择对应区域，设置反应系数，特别注意化学计量数的正负，可以通过计算结果判断设置是否有误。

• 如果带有化学反应，可以添加反应源项，通过反应常数，计算对应物质的生产量和消耗量。

• 空气极设置和燃料极类似

2.4二次电流分布

• 点击二次电流分布，选择电化学反应发生区域

• 点击电解质，选择对应区域，设置电导率

• 右键二次电流分布，添加多孔电极1，为燃料极，首先设置燃料极电子电导率和电解质电导率。

• 点击燃料极多孔电极反应，设置平衡电位，交换电流密度，传递系数和活性比表面积。

• 右键二次电流分布，添加多孔电极2，为空气极，然后设置空气极极电子电导率和电解质电导率。

• 点击空气极多孔电极反应，设置平衡电位，交换电流密度，传递系数和活性比表面积。

• 右键二次电流分布，添加电接地和电势，选择对应的边界。

2.4多孔介质传热

• 点击多孔介质传热，选择所有域

• 点击多空介质（燃料极），选择对应区域设置气体相和固体相热物理特性

• 右键多孔介质传热，添加多空介质（空气极），选择对应区域设置气体相和固体相热物理特性

• 右键多孔介质传热，添加流体（燃料极和空气极两个），选择对应区域，设置气体相热物理特性

• 右键多孔介质传热，添加热源（燃料极，电解质和空气极三个），选择对应区域，设置广义源

• 右键多孔介质传热，添加热源（反应熵变），选择对应区域，设置用户定义广义源

• 右键多孔介质传热，添加温度入口（燃料极和空气极2个），选择边界，设置入口温度

• 右键多孔介质传热，添加出口边界条件，选择边界

• 右键多孔介质传热，添加固体，设置电解质的热物理特性

3耦合求解

• 解耦求解，禁掉二次电流分布，多孔介质传热。首先只求解自由和多孔介质流动和浓物质传递模块，结果为解1。

• 打开二次电流分布，在解1的基础上，耦合电场求解，结果为解2。

• 再把每个部分的多孔电极耦合系数选上，在解2的基础上耦合求解，结果为解3。

• 打开多孔介质传热，耦合每部分温度和参数温度，在解3的基础上求解，得出最后的耦合解。

4结果

通过将模拟结果与相同工况下的实验数据进行比较，验证了搭建的多物理场模型的有效性（操作条件如表1所示）。两组数据在低工作电压下表现出较高的一致性，而在高工作电压下则有相对较大的差异。总体而言，差异较小(相关效率，r = 0.994)，如图所示。

 

表1 模型验证的操作参数

参数	值	单位
阴极气体流量	350	SCCM
阳极气体流量	350	SCCM
阴极气体组成	28.6%CO2+28.6%H2O+14.3%H2+28.6%Ar
阳极气体组成	Air（21%O2+79%N2）
气体入口温度	1023	K
外加电压	0.9-1.4	V

模拟结果与实验数据的V-I特性。

文章来源：Solid Oxide Cell