高温固体氧化物电解池模拟分析
发布时间：2021-03-23 17:09
钍基熔盐堆（TSMR）与高温电解系统（HTE）耦合可用于电解制氢以及电解二氧化碳制一氧化碳,且可达到非常高的制氢和一氧化碳效率,实现核能高效利用以及CO2减排等方面的重大需求。高温电解系统中的固体氧化物电解池（SOEC）是一种新型的能源转换工具,可以将电能和热能转化为化学能,具有高效、清洁的优点。现阶段研究SOEC的主要方法由实验和模拟两种方法。由于现有的SOEC实验不能观测到SOEC内部的气体分布、电流密度分布以及温度分布等情况,但是气体分布、电流密度分布以及温度分布直接关系到电解池稳定性以及持久性等而性能。然而模拟研究具有很多实验不具有的优势,如经济性好、耗时短、能够分析电解池内部情况等诸多优点;并且数值模拟方法在监测、设备开发、优化、效果预测方面体现了重要价值。本论文通过高温电解水蒸气制氢实验数据为依据,采用ANSYS FLUENT软件中User Define Function（UDF）开发高温固体氧化物电解池（SOEC）三维CFD模型,并将模型扩展到高温电解二氧化碳制一氧化碳以及CO2/H2O共电解。通过SOEC...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
复合能源系统
图 1. 2 SOEC 工作原理示意图Fig1. 2 Schematic diagram of working principle in SOEC2 所示，在较高操作温度（600 – 1000 °C）下，以电解例，H2O 或者 CO2从阴极流道通入 SOEC，然后由多孔附近的三相界面（Triple Phase Boundary, TPB）附近被分-，O2-穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极与电解失去电子生成氧气（O2），然后通过多孔阳极扩散出 的反应为：22 2H O 2e O H + → +22CO 2e O CO + → +
板式 SOEC 具有结构形状简单、易于加工从而减小制造成本、电子传输路径较短、单位面积能量密度高，但是由于较多面积暴露在外从而封装较为困难、热应力大、热循环较差、性能衰减大[20,21]。相对于板式而言管式 SOEC 可为盲管结构，因而电池密封性较好，电池组装相对容易、具有较高的抗热震性和机械强度、长期稳定性好，但仍存在电流路径长、能量密度低、制备工艺复杂、集流较难的缺点[20,22]。目前较常采用的支撑体有阴极支撑体、阳极支撑体和电解质支撑体三种。早起对于 SOEC 性能的研究主要采用电解质厚度为 150-300 μm的电解质支撑类型的电解池[20,23-26]。由于电解池的欧姆极化损失主要来自氧离子的迁移阻碍，因而电解质支撑型电解池的电阻较大，电解池性能较差，需要较高的操作温度，不利于电解池的大规模应用。采用电极作为支撑体，电解质层可以薄膜化可有效减少欧姆阻抗、降低运行温度。目前阴极支撑是采用最广泛的支撑类型，阳极支撑相对不常见[20,23-26]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电解制氢与氢储能[J]. 俞红梅,衣宝廉. 中国工程科学. 2018(03)
[2]Solid oxide fuel cell interconnect design optimization considering the thermal stresses[J]. Min Xu,Tingshuai Li,Ming Yang,Martin Andersson. Science Bulletin. 2016(17)
[3]钍基熔盐堆核能系统[J]. 蔡翔舟,戴志敏,徐洪杰. 物理. 2016(09)
[4]钍基熔盐堆核能系统[J]. 中国科学院院刊. 2016(S1)
[5]固体氧化物燃料电池平板式电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2014(15)
[6]固体氧化物电解池电解水研究综述[J]. 陈婷,王绍荣. 陶瓷学报. 2014(01)
[7]管式固体氧化物燃料电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2013(21)
[8]高温共电解H2O/CO2制备清洁燃料[J]. 王振,于波,张文强,陈靖,徐景明. 化学进展. 2013(07)
[9]固体氧化物电解池共电解H2O/CO2研究进展[J]. 范慧,宋世栋,韩敏芳. 中国工程科学. 2013(02)
[10]高温固体氧化物电解水制氢技术[J]. 张文强,于波,陈靖,徐景明. 化学进展. 2008(05)
博士论文
[1]固体氧化物电解池共电解二氧化碳和水机理及性能研究[D]. 李汶颖.清华大学 2015
[2]固体氧化物高温电解池材料制备研究[D]. 梁明德.东北大学 2009
本文编号：3096127
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
复合能源系统
图 1. 2 SOEC 工作原理示意图Fig1. 2 Schematic diagram of working principle in SOEC2 所示，在较高操作温度（600 – 1000 °C）下，以电解例，H2O 或者 CO2从阴极流道通入 SOEC，然后由多孔附近的三相界面（Triple Phase Boundary, TPB）附近被分-，O2-穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极与电解失去电子生成氧气（O2），然后通过多孔阳极扩散出 的反应为：22 2H O 2e O H + → +22CO 2e O CO + → +
板式 SOEC 具有结构形状简单、易于加工从而减小制造成本、电子传输路径较短、单位面积能量密度高，但是由于较多面积暴露在外从而封装较为困难、热应力大、热循环较差、性能衰减大[20,21]。相对于板式而言管式 SOEC 可为盲管结构，因而电池密封性较好，电池组装相对容易、具有较高的抗热震性和机械强度、长期稳定性好，但仍存在电流路径长、能量密度低、制备工艺复杂、集流较难的缺点[20,22]。目前较常采用的支撑体有阴极支撑体、阳极支撑体和电解质支撑体三种。早起对于 SOEC 性能的研究主要采用电解质厚度为 150-300 μm的电解质支撑类型的电解池[20,23-26]。由于电解池的欧姆极化损失主要来自氧离子的迁移阻碍，因而电解质支撑型电解池的电阻较大，电解池性能较差，需要较高的操作温度，不利于电解池的大规模应用。采用电极作为支撑体，电解质层可以薄膜化可有效减少欧姆阻抗、降低运行温度。目前阴极支撑是采用最广泛的支撑类型，阳极支撑相对不常见[20,23-26]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电解制氢与氢储能[J]. 俞红梅,衣宝廉. 中国工程科学. 2018(03)
[2]Solid oxide fuel cell interconnect design optimization considering the thermal stresses[J]. Min Xu,Tingshuai Li,Ming Yang,Martin Andersson. Science Bulletin. 2016(17)
[3]钍基熔盐堆核能系统[J]. 蔡翔舟,戴志敏,徐洪杰. 物理. 2016(09)
[4]钍基熔盐堆核能系统[J]. 中国科学院院刊. 2016(S1)
[5]固体氧化物燃料电池平板式电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2014(15)
[6]固体氧化物电解池电解水研究综述[J]. 陈婷,王绍荣. 陶瓷学报. 2014(01)
[7]管式固体氧化物燃料电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2013(21)
[8]高温共电解H2O/CO2制备清洁燃料[J]. 王振,于波,张文强,陈靖,徐景明. 化学进展. 2013(07)
[9]固体氧化物电解池共电解H2O/CO2研究进展[J]. 范慧,宋世栋,韩敏芳. 中国工程科学. 2013(02)
[10]高温固体氧化物电解水制氢技术[J]. 张文强,于波,陈靖,徐景明. 化学进展. 2008(05)
博士论文
[1]固体氧化物电解池共电解二氧化碳和水机理及性能研究[D]. 李汶颖.清华大学 2015
[2]固体氧化物高温电解池材料制备研究[D]. 梁明德.东北大学 2009
本文编号：3096127
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