通过数值模拟来评估多组分合成气对固体氧化物燃料电池性能的影响

利用三维多物理模型研究生物质热解 reforming 合成气在SOFC中的性能，分析主要成分（H2、CO2、CO、CH4）及蒸汽碳比（S/C）对功率密度及内部气体分布的影响，发现H2、CO、CH4提升功率密度，CO2为稀释剂，最优配比达2153.2 W/m2，但低S/C比可能加剧结焦风险。

　　

王振华|李龙|马子涵|苗瑾|高荣莉|蔡伟|周雄

重庆科学技术大学材料与新能源学院，中国重庆 401331

摘要

在固体氧化物燃料电池（SOFC）中利用生物质热解重整合成气提供了一种可持续的废物转能源的途径。本研究采用了一个商业SOFC的三维多物理模型，系统地研究了主要合成气组分（H₂、CO₂、CO、CH₄）以及蒸汽碳比（S/C）对性能和内部气体分布的影响。结果表明，H₂、CO和CH₄可以提高功率密度，而CO₂则起到惰性稀释剂的作用。最优的合成气组成实现了2153.2 W/m²的峰值功率密度。阳极燃料气体沿流动路径的分布逐渐减少，而反应产物则逐渐积累。分析还表明，阴极氧气分布不均匀，较低的S/C比虽然有利于性能，但可能会增加结焦风险。这项工作为优化合成气处理和运行参数提供了关键见解，促进了SOFC与生物质转化系统的集成。

引言

日益严重的温室效应、化石燃料的枯竭以及全球能源需求的增加，凸显了开发替代能源、推进能源节约和促进资源回收利用的迫切需求[[1], [2], [3]]。燃料电池能够直接将化学能转化为电能，其效率远超卡诺循环，比传统热机更高[4]。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）由于其高效率和出色的燃料灵活性，在未来能源系统中占据关键地位[5]。与需要高纯度氢气的质子交换膜燃料电池（PEMFC）不同，SOFC可以使用多种燃料，包括工业副产氢[7]、碳氢化合物[8]及其混合物[9]。这种能力为将固体废物转化为有价值的能源提供了可行的途径。通过先进的热解和催化重整技术，有机废物和生物质废物可以转化为含有氢（H₂）[10,11]、甲烷（CH₄][12,13]、一氧化碳（CO）[14]和二氧化碳（CO₂][15]的合成气。在SOFC中使用这种合成气可以实现高效且环保的发电，支持可持续发展[16,17]。然而，原始的生物质热解合成气通常含有硫化氢（H₂S）、氨（NH₃）和焦油等杂质，这些杂质会通过毒害传统的镍基阳极严重降低SOFC的性能[18]。即使浓度低于1 ppm的微量H₂S也会导致镍基阳极性能显著下降，这突显了杂质阈值对SOFC运行的重要性[19]。实际上，需要在将合成气输入SOFC之前进行广泛的气体净化处理。因此，本研究重点关注主要合成气组分（H₂、CO、CH_{42、H2O）对电池性能的影响，而不是杂质本身。}

H₂仍然是SOFC的理想燃料，因为它具有高的电化学活性（表1中的方程（1））。然而，来自生物质热解和重整的合成气不仅包含H₂，还含有大量的CO₂、CO和CH₄[20]。虽然CO可以直接参与电化学反应（表1中的方程（2）），但在Ni-YSZ阳极上的氧化速率大约只有H₂的三分之一[21]。CO还可以通过水煤气变换反应（表1中的方程（3）产生额外的H₂。CH₄在阳极上发生重整生成H₂（表1中的方程（4）、（5）），但CO和CH₄都可能导致功率输出低于纯H₂，并增加碳沉积的风险，从而影响长期耐用性[22,23]。因此，了解多组分合成气混合物对SOFC性能的影响至关重要。

研究SOFC的性能主要依赖于实验和数值方法。高温、密封的运行环境使得实时监测温度、物种浓度和电流密度等关键参数变得复杂。实验研究常常受到成本、时间以及难以在紧密耦合的多物理过程中分离单个因素的限制。因此，数值模拟作为一种重要工具不断发展，从简化的一维模型发展到能够捕捉详细传输现象、电化学反应和热传递的综合性三维模型[26,27]。

数值模拟已成为阐明燃料组成对SOFC性能和内部多物理场影响不可或缺的工具。研究一致表明，氢含量是决定电池输出的主要因素。例如，对平面SOFC的建模显示，纯氢产生最高的功率密度，因为较高的H₂浓度可以加速电化学反应[28]。除了纯氢之外，作为天然气和沼气主要成分的CH₄也被广泛研究作为替代燃料。研究强调了温度和重整条件的重要性。Ni基SOFC在CH₄上的二维模型显示，提高温度可以增强直接内部重整（DIR），而忽略CO的电化学氧化会导致电流密度被低估[29]。重整环境同样关键。Liu等人证明，对于对称的双阴极SOFC，蒸汽与甲烷（H₂O/CH₄）比例超过3对于保持长期稳定性和最小化退化至关重要[30]。同样，在干重整的背景下，Zhang对管状SOFC的研究表明，最佳的CO₂/CH₄比例结合适当的运行温度可以显著提高CH₄转化率和整体电池稳定性[31]。Chen进一步展示了三重整的复杂性，他在CO₂/CH₄燃料流中引入H₂O可以增强CH₄转化率，并有利于调整合成气（H₂/CO）比例[32]。Vakouftsi等人的计算流体动力学（CFD）模拟表明，等摩尔的CO₂/CH₄沼气混合物可以最大化功率输出，而蒸汽稀释会引入性能损失[33]。相反，Razbani的模型表明，无甲烷的沼气（CO₂和H₂的混合物）可以通过减少冷却空气需求和改善电流密度分布来优化系统效率[34]。燃料组分之间的相互作用也会显著影响内部条件。Fan等人的三维分析显示，将氢与天然气混合可以抑制CH₄的重整反应，从而在电池堆内实现更均匀的温度分布，有利于热管理和延长寿命[35]。总体而言，这些研究在用各种替代燃料对SOFC进行建模方面取得了显著进展。

尽管取得了这些进展，但仍存在重要的知识空白。大多数数值研究采用简化的单通道或单电池模型，可能无法准确预测具有复杂流动结构的商业规模堆栈的行为。此外，虽然像纯H₂、CH₄或简单的二元/三元混合物（例如H₂/CO₂、H₂/CO、H₂/CO₂/CH₄）等燃料已经得到了广泛研究，但对实际生物质热解和重整过程产生的多组分合成气的全面三维分析仍然不足。这一空白限制了对实际生物质衍生合成气整合到SOFC系统的预测准确性和实际指导。本研究通过开发一个基于商业SOFC堆栈几何形状的三维多通道模型来填补这些空白。利用文献中报道的生物质热解和重整合成气组成，该模型系统地研究了关键组分（H₂、CO₂、CO、CH₄和H₂O）及其比例对电化学性能和内部物理场分布的影响。这项工作为优化实际SOFC系统中生物质合成气的利用提供了具体见解，架起了基础研究与工业应用之间的桥梁。

模型构建

在SOFC数值模拟研究中，开发一个准确反映SOFC运行条件的模型是必不可少的。SOFC堆栈由串联的单电池组成，其性能受单电池性能以及电池连接性和堆栈密封性等因素的影响。因此，数值模拟同时关注单电池和堆栈的整体性能。大多数研究通过简化模型来进行研究

H₂

最初使用单变量方法研究了不同H₂比例对SOFC性能的影响。图2显示了不同H₂比例（表S3中的案例1-4）下的I-V-P曲线。I-V曲线的特征非线性衰减可以分为三个不同的区域，这些区域由不同的极化损失控制。在高操作电压（低电流密度）下，电压降主要是由于活化极化引起的

结论

本研究开发了一个商业平面SOFC的三维多物理模型，系统地研究了多组分生物质热解重整合成气的利用。其主要创新在于对实际生物质过程产生的复杂、非理想合成气混合物进行了全面的三维分析，这是对以往通常使用简化几何形状的研究的重大进步

CRediT作者贡献声明

王振华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督。 李龙：撰写 – 原始草稿。 马子涵：可视化。 苗瑾：可视化，研究。 高荣莉：监督。 蔡伟：监督。 周雄：监督。

利益冲突声明

我们声明与所提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。

致谢

本研究得到了重庆市教育委员会科学技术研究计划（KJQN202301501、KJZD-K202401502）、重庆市博士后专项支持基金（2021XM3007）、重庆市自然科学基金创新与发展联合基金（市教育委员会）（CSTB2022NSCQ-LZX0071）、重庆市自然科学基金（CSTB2025NSCQ-LZX0097、CSTB2024NSCQ-LZX0046）以及重庆大学的研究生创新项目的支持