技術論文とプレゼンテーション

固体氧化物电解池（SOEC）共电解水和二氧化碳是实现双碳目标与高效能源转化的重要途径。在实际大功率运行中，多层电堆内部易出现物理场分布不均，严重限制了电堆的整体性能与使用寿命。为此，本研究借助 COMSOL Multiphysics 构建了全尺寸的三维多物理场耦合模型，聚焦于运行温度为 1123K 的15层阳极支撑型SOEC电堆，将流体流动、传质、传热及电化学反应深度结合，旨在精准评估共电解工况下电堆内部的非均匀性现象，并深度剖析其背后的诱发机制。在1123K工作温度下多层电堆内部展现出显著的物理场分布不均的现象。由仿真结果可知，反应物与产物分配不均现象显著。区别于传统电解池堆的下进下出的进出气方式，本文电解池堆采取下进上出的方式，在结构上使得每一层电解池从进口到出口的流程长度一致，从而减少层间流阻差异，减少反应物分配的层间差异。即便如此，由图1反应物层间分配图可知，燃料功能层内 H₂O 和 CO₂ 浓度仍然呈明显的层间递增趋势，顶部第15层浓度最高。随着单层电解池的工作电压从 1.3V 升至 1.5V，进气分配恶化，层间浓度极差显著扩大（1.5V 时 H₂O 极差高达 9.28%）。 图2产物浓度分布云图中，各单电池层沿气流方向氢气浓度逐渐增加，且由于反应物浓度在层间分布的差异，导致顶部电池层的整体产物浓度明显偏高。 电化学反应失衡的现象也十分明显，由图3电流密度分布云图可知，电堆整体电流密度呈现自下而上的递增梯度。这与气体分配不均高度吻合：顶部流层获得了更多的反应物，导致局部电化学反应更加剧烈。受局部高电流密度及气体流速差异的影响，电堆内部形成明显的温度梯度，高温区集中在反应剧烈及流体出口侧。在 1123K 共电解工况下，15层SOEC电堆物理场的不均匀性根本原因在于流体进排气歧管的结构效应。气流分配的初始偏差导致了各层反应物供应的阶梯性差异，进而引发了电流密度过载与温度场分布失衡；且高电压工况会进一步放大此负面效应。因此，优化进排气结构是优化物理场分布均匀性的有效方案。