可逆固体氧化物燃料电池性能的数值模拟研究

doi:10.13675/j.cnki.tjjs.200393

推进技术 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (11): 2630-2640.DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200393

• 舰船推进 • 上一篇

可逆固体氧化物燃料电池性能的数值模拟研究

冯祥¹，杨超^1,2，梁超余¹，韩越¹，李欣珂¹，郑建民¹，袁金良¹

1.宁波大学海运学院，浙江宁波 315832;2.上海海事大学商船学院，上海 201306

出版日期:2020-11-15 发布日期:2020-11-15
作者简介:冯　祥，硕士生，研究领域为燃料电池数值模拟。E-mail：619892104@qq.com
基金资助:
浙江省新苗人才计划（2019R405076）；研究生科研创新基金（G19114）；宁波科技创新重大专项（2019B10043）。

Numerical Simulation of Reversible Solid Oxide Fuel Cell Performance

1.Faculty of Maritime and Transportation，Ningbo University，Ningbo 315832，China;2.Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China

Online:2020-11-15 Published:2020-11-15

摘要/Abstract

摘要： 为了研究可逆固体氧化物燃料电池（rSOFC）的宏观性能，利用流体力学描述rSOFC多物理输运过程、水气反应（WGS）和电化学反应，并采用Ansys/Fluent建立了二维单通道rSOFC的数值模型，研究以合成气为燃料的rSOFC电极厚度和气体组分等因素对电流密度、WGS反应速率和燃料利用率等性能的影响。结果表明，电极的厚度和气体组分等参数对rSOFC宏观性能有较大影响；WGS在rSOFC反应过程中起着重要作用；在SOFC/SOEC（固体氧化物燃料电解池）双模式运行下，C/H元素比的增大会改善电流密度和电化学反应的不均匀分布。

关键词: 船舶推进系统;燃料电池;数值模拟;水气反应;优化

Abstract: To investigate the macroscopic properties of reversible solid oxide fuel cells （rSOFC）， the fluid mechanics was used to describe rSOFC multi-physical transport processes， hydro-gas reactions （WGS） and electrochemical reactions. In addition， Ansys Fluent numerical model of two-dimensional single-channel rSOFC was established to study the effects of syngas fuel rSOFC electrode thickness and gas composition on current density， WGS reaction rate and fuel utilization. The predicted results show that both electrode thickness and gas composition have great influence on the rSOFC overall performance and WGS plays an important role in rSOFC reaction. Under the SOFC/SOEC（solid oxide electrolysis cell）dual operating mode， increasing of C/H ratio in the syngas fuel gases may improve uneven distribution of the current density and the electrochemical reactions.

Key words: Ship propulsion system;Fuel cell;Numerical simulation;Water-gas shift reaction;Optimization

冯祥，杨超，梁超余，韩越，李欣珂，郑建民，袁金良. 可逆固体氧化物燃料电池性能的数值模拟研究[J]. 推进技术, 2020, 41(11): 2630-2640.

FENG Xiang¹, YANG Chao^1,2, LIANG Chao-yu¹, HAN Yue¹, LI Xin-ke¹, ZHENG Jian-min¹, YUAN Jin-liang¹. Numerical Simulation of Reversible Solid Oxide Fuel Cell Performance[J]. Journal of Propulsion Technology, 2020, 41(11): 2630-2640.

参考文献

[1] 王闰. 船舶污染对海洋环境的影响及防治对策分析［J］. 中国水运， 2018， 18（9）.
[2] 刘子杨，翁方龙，李玉生，等. 燃料电池技术在船舶电力推进系统中的应用分析［J］. 船电技术， 2019， 39（11）： 6-11.
[3] Han J G， Charpentier J F， Tang T H. An Energy Management System of a Fuel Cell/Battery Hybrid Boat［J］. Energies， 2014， 7（5）.
[4] Weng F B， Dlamini M M， Jung G B， et al. Analyses of Reversible Solid Oxide Cells Porosity Effects on Temperature Reduction［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 45（21）.
[5] 罗启芳. 目前燃料电池的技术水平、发展趋势和用于舰船电力推进的可能性［J］. 舰船科学技术， 1980，（10）： 24-36.
[6] 王建飞. 基于燃料电池的船舶推进监控系统［J］. 微计算机信息， 2006， 22（12）.
[7] Jin X F， Xue X J. Mathematical Modeling Analysis of Regenerative Solid Oxide Fuel Cells in Switching Mode Conditions［J］. Journal of Power Sources， 2010， 195（19）.
[8] Kazempoor P， Braun R J. Model Validation and Performance Analysis of Regenerative Solid Oxide Cells： Electrolytic Operation［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39（6）.
[9] Su A， Ferng Y M， Wang C B. Investigating Parametric Effects on Performance of a High-Temperature URSOFC［J］. International Journal of Energy Research， 2015， 39（5）.
[10] Garcia Camprubi M， Izquierdo S， Fueyo N. Challenges in the Electrochemical Modelling of Solid Oxide Fuel and Electrolyser Cells［J］. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2014， 33（2）： 701-718.
[11] Luo Y， Shi Y， Zheng Y， et al. Reversible Solid Oxide Fuel Cell for Natural Gas/Renewable Hybrid Power Generation Systems［J］. Journal of Power Sources， 2017， 340： 60-70.
[12] Jin X， Xue X. Mathematical Modeling Analysis of Regenerative Solid Oxide Fuel Cells in Switching Mode Conditions［J］. Journal of Power Sources， 2010， 195（19）.
[13] Jin X， Zhao X， Huang K. A High-Fidelity Multiphysics Model for the New Solid Oxide Iron-Air Redox Battery Part I： Bridging Mass Transport and Charge Transfer with Redox Cycle Kinetics［J］. Journal of Power Sources， 2015， 280： 195-204.
[14] Hosseini S， Vijay P， Ahmed K， et al. Dynamic Tank in Series Modeling of Direct Internal Reforming SOFC［J］. International Journal of Energy Research， 2017， 41（11）.
[15] Kaya M F， Demir N. Numerical Investigation of PEM Water Electrolysis Performance for Different Oxygen Evolution Electrocatalysts［J］. Fuel Cells， 2017， 17（1）： 37-47.
[16] Graves C， Ebbesen S D， Jensen S H， et al. Eliminating Degradation in Solid Oxide Electrochemical Cells by Reversible Operation［J］. Nature Materials， 2015， 14（2）： 239-244.
[17] Wang C， Chen M， Liu M， et al. Dynamic Modeling and Parameter Analysis Study on Reversible Solid Oxide Cells during Mode Switching Transient Processes［J］. Applied Energy， 2020， 263（42）： 386-474.
[18] Yu J G， Wang Y Z， Weng S L. Numerical Analysis of the Possibility of Carbon Formation in Planar SOFC Fueled with Syngas［J］. Journal of Fuel Cell Science and Technology， 2012， 9（2）.
[19] Xu H R， Chen B， Ni M. Modeling of Direct Carbon-Assisted Solid Oxide Electrolysis Cell （SOEC） for Syngas Production at Two Different Electrodes［J］. Journal of the Electrochem Society， 2016， 163（11）.
[20] Ni M， Leung M K H， Leung D Y. Theoretical Analysis of Reversible Solid Oxide Fuel Cell Based on Proton-Conducting Electrolyte［J］. Journal of Power Sources， 2008， 177（2）： 369-375.
[21] Li W， Shi Y， Luo Y， et al. Elementary Reaction Modeling of Solid Oxide Electrolysis Cells： Main Zones for Heterogeneous Chemical/Electrochemical Reactions［J］. Journal of Power Sources， 2015， 273： 1-13.
[22] Hauck M， Herrmann S， Spliethoff H. Simulation of a Reversible SOFC with Aspen Plus［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2017， 42（15）.
[23] Lee S J， Jung C Y， Yi S C. Computational Analysis on the Electrode Geometric Parameters for the Reversible Solid Oxide Cells［J］. Electrochimica Acta， 2017， 242： 86-99.
[24] Ni M. 2D Thermal Modeling of a Solid Oxide Electrolyzer Cell （SOEC） for Syngas Production by H₂O/CO₂ Co-Electrolysis［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2012， 37（8）： 6389-6399.
[25] Yoon K J， Lee S I， An H， et al. Gas Transport in Hydrogen Electrode of Solid Oxide Regenerative Fuel Cells for Power Generation and Hydrogen Production［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39（8）： 3868-3878.
[26] Li W， Shi Y， Luo Y， et al. Theoretical Modeling of Air Electrode Operating in SOFC Mode and SOEC Mode： The Effects of Microstructure and Thickness［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39（25）.
[27] Yuan J， Sunden B. On Mechanisms and Models of Multi-component Gas Diffusion in Porous Structures of Fuel Cell Electrodes［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 69： 358-374.
[28] Andersson M， Yuan J， Sunden B. SOFC Modeling Considering Hydrogen and Carbon Monoxide as Electrochemical Reactants［J］. Journal of Power Sources， 2013， 232： 42-54.
[29] Apostol M. On the Gas-Liquid Transition［J］. Romanian Journal of Physics， 2008， 53（3-4）.
[30] Teng H， Zhao T S. An Extension of Darcy's Law to Non-Stokes Flow in Porous Media［J］. Chemical Engineering Science， 2000， 55（14）： 2727-2735.
[31] Wang L， Perez-Fortes M， Madi H， et al. Optimal Design of Solid-Oxide Electrolyzer Based Power-to-Methane Systems： A Comprehensive Comparison Between Steam Electrolysis and Co-Electrolysis［J］. Applied Energy， 2018， 211： 1060-1079.
[32] Ferguson J R， Fiard J M， Herbin R. Three-dimensional Numerical Simulation for Various Geometries of Solid Oxide Fuel Cells［J］. Journal of Power Sources， 1996， 58（2）： 109-122.
[33] Kleinlogel C M， Gauckler L J. Mixed Electronic-Ionic Conductivity of Cobalt Doped Cerium Gadolinium Oxide［J］. Journal of Electroceramics， 2000， 5（3）： 231-243.
[34] Mineshige A， Kobune M， Fujii S， et al. Metal-Insulator Transition and Crystal Structure of La1-xSrxCoO₃ as Functions of Sr-Content， Temperature， and Oxygen Partial Pressure［J］. Journal of Solid State Chemistry， 1999， 142（2）： 374-381.
[35] Anselmi-Tamburini U， Chiodelli G， Arimondi M， et al. Electrical Properties of Ni/YSZ Cermets Obtained Through Combustion Synthesis［J］. Solid State Ionics， 1998， 110（1-2）： 35-43.
[36] Yoon K J， Lee S I， An H， et al. Gas Transport in Hydrogen Electrode of Solid Oxide Regenerative Fuel Cells for Power Generation and Hydrogen Production［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39（8）： 3868-3878.
[37] Lee S J， Jung C Y， Yi S C. Computational Analysis on the Electrode Geometric Parameters for the Reversible Solid Oxide Cells［J］. Electrochimica Acta， 2017， 242： 86-99.

可逆固体氧化物燃料电池性能的数值模拟研究

Numerical Simulation of Reversible Solid Oxide Fuel Cell Performance

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 0

编辑推荐

Metrics

本文评价