低水甲烷固体氧化物燃料电池的多物理场理论模拟与设计

This research project aims to develop a comprehensive multi-physics theoretical and numerical modeling method for solid oxide fuel cells (SOFCs) fueled with slightly humidified methane. The numerical model will be used for the design and optimization of the anode material and structure and cell operating parameters in order to obtain high power density, high energy efficiency and carbon deposition free SOFCs. The main research activities include: 1) Based on the principle of the electrochemical potential balance to develop a multi-physics theoretical model for SOFCs fueled by methane with any steam content. 2) Performing theoretical and numerical simulation analysis for the experimental observations to arrive at a unified reaction rate model of the methane steam reforming reaction with arbitrary steam content. 3) Numerical simulations of the effect of operating current on the distributions of physical quantities such as temperature, fuel compositions, ionic current, et al, for understanding the mechanism of carbon removal by the operating current. The results will be used to develop a kinetic carbon deposition model and to find a quantitative carbon removal criterion. 4) Numerical simulation for the quantitative understanding of the effects of anode material and structures on the carbon deposition activity and the material and structural designs for the carbon deposition resistant anodes. 5) Systematic simulation analysis for the effects of steam content, reformation rate, flow rate and working temperature on the cell performance in order to find the optimized operating parameters for high power output and high energy efficiency operations.

本项目旨在对以低水碳比甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC）开展多物理场耦合理论模拟，并以此进行高功率输出、高能量转换效率和抗积碳的阳极材料与结构设计和SOFC工况参数优化。主要研究内容包括：1）依据电化学势平衡原理，建立适用于任意水碳比甲烷燃料的SOFC多场耦合物理理论模型；2）基于实验观察结果，开展多物理场数值模拟与理论分析，发展对不同水碳比通用的甲烷水汽重整反应速率理论模型；3）模拟分析工作电流对各种物理量如温度、气体组分、离子电流分布等的影响，理解电流抑制积碳的机理，建立积碳动力学模型与判据；4）考察阳极材料与结构对积碳活性的定量影响，进而提出抗积碳的阳极设计方案；5）系统性地模拟分析甲烷燃料的水碳比、重整度、流速和工作温度等工况参数对电池性能的影响，进而给出优化的具有高功率输出和高能量转化效率的工况参数。

固体氧化物燃料电池（SOFC）能直接使用甲烷等碳基燃料，是现实意义重大的清洁能源技术。降低甲烷燃料的水碳比可提高SOFC发电性能和效率，但需以避免积碳为前提。本项目旨在对低水甲烷燃料SOFC运行的微观机理与宏观行为开展理论分析与多物理场耦合数值模拟，并据此进行高性能和抗积碳的阳极材料与结构设计和SOFC工况参数优化。主要研究内容与取得的创新性成果包括：1）根据热力学和电化学基本理论，将电化学势明确表述为甲烷燃料组分的函数，依据电化学势的局域平衡原理，建立了首个适用于任意甲烷燃料组分的电流电势平衡方程，为正确模拟分析低水甲烷燃料SOFC的工作机理奠定了理论基础。2）计算研究了甲烷水重整（MSR）的众多基元反应过程，构建了微观反应动力学模型，揭示了MSR的主要反应路径和速控步骤，阐明了工况条件对MSR的影响规律；基于微观反应机理，推导出了宏观反应速率的解析理论表达式，并首次对众多貌似相互矛盾的实验现象做出了统一自恰的解释。3）对甲烷燃料阳极积碳的微观动力学开展了深入的计算研究，并通过多物理场耦合模拟计算，分析了工作电流对各种物理量如温度、气体组分分布等的影响，揭示了电流抑制积碳的机理，提出了积碳活性理论判据的合理选择。4）计算与仿真研究了阳极材料与结构对积碳活性的定量影响，提出了一种基于深度学习的催化材料发现方法，并给出了抗积碳MSR催化剂的合金材料选择，为实验合成提供了明确方向；提出了一种在添加扩散阻碍层以同时实现高功率与抗积碳的阳极结构设计方案 ；5）系统性地模拟分析燃料组分和工作温度等参数对电池性能、积碳倾向、应力分布等重要指标的影响，给出了优化的工况参数组合；提出了体积功率密度高达14W/cm3的微管结构设计，破除了人们关于管式SOFC发电性能难比平板SOFC的认识误区。已发表标注本项目支持的论文16篇，申报发明专利2项（1项已授权）。