趙鴻飛， 陳前昌, 2， 宗 正， 張兄文， 吳 鍇， 周 峻

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 陜西 西安 710049； 2.國家電網(wǎng)公司西北分部， 陜西 西安 710048； 3.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 陜西 西安 710049)

1 引言

為了應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境問題，世界各國正積極開發(fā)潔凈高效且環(huán)境友好的新能源技術(shù)[1]?？赡婀腆w氧化物電池(Reversible Solid Oxide Cell，RSOC)是一種高效率、綠色環(huán)保的電化學(xué)裝置。其原理圖如圖1所示[2]。它既能作為固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)工作，以H2或合成氣為燃料進(jìn)行發(fā)電，也可以作為固體氧化物電解池(Solid Oxide Electrolytic Cell，SOEC)工作，利用電能將水、二氧化碳等轉(zhuǎn)化成H2或合成氣燃料[3]。

圖1 RSOC工作原理Fig.1 Working principle of RSOC

當(dāng)RSOC以氫能作為儲能介質(zhì)，便能夠橫跨電力、供熱和燃料三個領(lǐng)域，促進(jìn)能源供應(yīng)端的融合，提升能源使用效率。相比于風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源而言，RSOC的功能更多、效率更高且使用更為靈活。當(dāng)電網(wǎng)電能需求量大時，RSOC工作在SOFC模式，將儲備的氫氣或合成氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；當(dāng)電網(wǎng)電能需求量不高或其他清潔發(fā)電系統(tǒng)(如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等)產(chǎn)能過剩時，RSOC工作在SOEC模式下來消納富余電能，將電能轉(zhuǎn)化為氫氣或合成氣中的化學(xué)能儲存起來。這有助于穩(wěn)定電網(wǎng)，并且有望實現(xiàn)清潔能源-電能的可持續(xù)循環(huán)，起到削峰填谷的作用[4]。圖2為RSOC大規(guī)模儲能系統(tǒng)示意圖[5]。

圖2 RSOC大規(guī)模儲能系統(tǒng)示意圖Fig.2 RSOC energy storage system

正因RSOC在能源和環(huán)保方面得天獨厚的優(yōu)勢，美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)都制定了長期研發(fā)的計劃。德國的Sunfire公司開發(fā)了一套150 kW輸出功率的RSOC系統(tǒng)，且制氫過程電效率為82%，發(fā)電效率高于50%[6]。在系統(tǒng)研究方面，V.T.Giap等人[7]將RSOC和廢水構(gòu)建新系統(tǒng)并配以電廠配套設(shè)施分析了SOFC和SOEC工作模式下的效率問題，兩種模式下，其燃料利用率分別為50%和70%。S.Amicabile等人[8]提出了一種基于朗肯循環(huán)的余熱利用系統(tǒng)，結(jié)果表明：最大凈功率和系統(tǒng)性能均顯著提高。然而當(dāng)涉及到市場化應(yīng)用時，受電池可靠性和高成本等影響，RSOC儲能系統(tǒng)在目前還未能大規(guī)模商業(yè)化[9]。所以對其不同工作模式下的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行研究，可為電池結(jié)構(gòu)、氣體系統(tǒng)、輔助設(shè)施和熱管理系統(tǒng)的設(shè)計、制造和控制提供重要的參考價值。

2 RSOC發(fā)電端建模

利用Aspen Plus軟件，本文首先建立了RSOC工作在SOFC穩(wěn)態(tài)模式時的模型，對電池堆內(nèi)部的流量、發(fā)電量、電壓和效率進(jìn)行計算，從而得到在SOFC穩(wěn)態(tài)時各參數(shù)的變化對其性能的影響結(jié)果。

2.1 模型流程設(shè)計

SOFC運(yùn)行流程如圖3所示。模型主要針對SOFC的能量優(yōu)化利用進(jìn)行研究。

圖3 SOFC運(yùn)行流程Fig.3 SOFC operation process

與圖3相應(yīng)的流程模擬如圖4所示。新鮮燃料(物流1)與參加過陽極反應(yīng)的剩余燃料(物流6)混合，通過噴射器(EJECTOR)進(jìn)入到重整器(REFORMER)里進(jìn)行重整反應(yīng)，以生成電池堆反應(yīng)所需的H2和CO，然后進(jìn)入陽極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。空氣(物流9)經(jīng)過換熱器的預(yù)熱進(jìn)入陰極，而陰極尾氣與陽極尾氣則進(jìn)入后燃室(AFTERB)中進(jìn)行完全燃燒，燃燒所得的尾氣將其產(chǎn)生的熱能送入換熱器(RECUPER)預(yù)熱空氣。

圖4 SOFC流程模擬Fig.4 SOFC process simulation

2.2 模型假設(shè)條件

為了簡化流程模擬過程，對模型做出如下假設(shè)：

(1)燃料氣組分為：CH481.3%，C2H62.9%，C3H80.4%，C4H100.2%，N214.3%，CO 0.9%；

(2)空氣組分為：O221%，N279%；

(3)氣體為可壓縮的理想氣體；

(4)元件為理想絕熱元件，密封性良好；

(5)不考慮氣體溫度因電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的波動，氣體溫度均一，重整器和氣道出口溫度等于其內(nèi)部的平均溫度，不存在冷熱流混合現(xiàn)象；

(6)電池內(nèi)部損失忽略不計，處于理想工作狀態(tài)，不考慮向環(huán)境的熱損失；

(7)重整器和陽極所發(fā)生的重整反應(yīng)可以達(dá)到平衡狀態(tài)；

(8)化學(xué)反應(yīng)效率和燃料總體利用率依照給定的條件進(jìn)行。

2.3 重要部件介紹

2.3.1 重整系統(tǒng)

重整系統(tǒng)由圖4中COOLER1、REFORMER等組成。外重整模式下，在重整器內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

(1)水蒸氣重整反應(yīng)

CnH2n+2+nH2O?(2n+1)H2+nCO

(1)

式中，n為鏈烷烴的碳原子系數(shù)。

(2)水氣置換反應(yīng)

CO+H2O?CO2+H2

(2)

通過Aspen內(nèi)置的Design-spec函數(shù)使重整器的凈熱負(fù)荷為0獲得重整器出口的溫度，即在此溫度下可以認(rèn)為重整器是絕熱的。

2.3.2 陽極

在圖4中，經(jīng)重整系統(tǒng)處理的物流4進(jìn)入ANODE，發(fā)生水氣置換反應(yīng)生成H2。在陽極模塊中的反應(yīng)主要如下：

(1)電化學(xué)總反應(yīng)

(3)

(2)甲烷水蒸氣重整反應(yīng)

CH4+H2O?CO+3H2

(4)

(3)水氣置換反應(yīng)

CO+H2O?CO2+H2

(5)

2.3.3 陰極與預(yù)熱系統(tǒng)

該部分主要由圖4中CATHODE和HEATER1等組成。由于Aspen不能對電化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行模擬，為了反應(yīng)陰極的O2-游離到陽極側(cè)這一過程，使用Calculator功能計算出給定燃料利用率下的電化學(xué)反應(yīng)所需實際氧氣摩爾流量，剩余空氣與陽極剩余燃料尾氣混合進(jìn)入后燃室進(jìn)行燃燒產(chǎn)熱來預(yù)熱新鮮空氣。計算方法如下：

nO2,req=0.5UfnH2,ref

(6)

nH2,ref=nH2,in+nCO,in+4nCH4,in+…

(7)

式中，nO2,req為所需的O2摩爾流量, mol/h；Uf為燃料利用率；nH2,ref為燃料中H2的相對摩爾流量；nH2,in為燃料氣中H2的摩爾流量，mol/h；nCO,in為CO發(fā)生水氣置換反應(yīng)式(5)后生成的H2摩爾流量，mol/h；4nCH4,in為H2O和CO發(fā)生水氣置換反應(yīng)后生成的H2摩爾流量；公式尾部的省略號代表高碳?xì)浠衔锷傻腍2摩爾流量，可通過式(1)推得。

2.3.4 后燃室

后燃室主要由圖4右側(cè)的HEATER2和AFTERB組成。后燃室的加入，可使尾氣完成二次利用并提高能量利用效率。燃料尾氣分為兩個部分，一部分重新與新鮮燃料混合，為重整系統(tǒng)提供水蒸氣，另一部分與陰極尾氣一起進(jìn)入后燃室燃燒，反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量通過換熱器RECUPER預(yù)熱空氣。陽極尾氣的分離比通過設(shè)定蒸汽碳比S/C=2.5獲得。后燃室中的反應(yīng)轉(zhuǎn)化效率被認(rèn)為近似100%。氧化反應(yīng)如下：

(8)

2.4 電化學(xué)計算模型

2.4.1 電壓

SOFC的電壓計算是模擬工作的核心，本文通過對壓力、溫度、燃料氣組分等對實際電壓影響的經(jīng)驗公式與參考電壓的關(guān)系，用Fortran語言編寫程序計算出電池的實際電壓。相應(yīng)的計算公式如下[10,11]：

(1)SOFC電池堆的操作壓力

(9)

式中，ΔVP為SOFC電池堆在工作時的實際操作壓力對實際電壓造成的影響, mV；P為實際操作壓力, Pa；Pref為參考操作壓力,Pref=1.01×105Pa。

(2)SOFC電池堆的操作溫度

ΔVT=0.008(T-Tref)IC

(10)

式中，ΔVT為SOFC電池堆在工作時的實際操作溫度對實際電壓造成的影響, mV；T為實際操作溫度, ℃；Tref為參考操作溫度,Tref=1 000 ℃；IC為系統(tǒng)的電流密度, A/cm2。

(3)SOFC電池堆的燃料氣組分

(11)

式中，ΔVan為陽極的燃料氣分壓對實際電壓造成的影響, mV；PH2/PH2O為實際的氫氣和水蒸氣的分壓比；(PH2/PH2O)ref為參考條件下的氫氣和水蒸氣的分壓比，且(PH2/PH2O)ref=0.15。

(4)SOFC電池堆的氧化劑組分

(12)

式中，ΔVca為陰極的氧氣分壓對實際電壓造成的影響, mV；PO2為實際氧氣的分壓, Pa；PO2,ref為參考條件下的氧氣的分壓, Pa。

所以，將上述結(jié)果相加，就能得到實際電壓為：

V=Vref+ΔVP+ΔVT+ΔVan+ΔVca

(13)

式中，Vref為參考電壓，V。

此法避免了因電池本體結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致對電池微觀和幾何參數(shù)的重復(fù)分析，使整個仿真模型易于校準(zhǔn)。

2.4.2 電池性能

SOFC的輸出功率是電池電流和電池電壓之積，其計算如式(6)所示。

P1=IV

(14)

式中，P1為輸出功率, W；I為電池電流, A；V為電池電壓，V。

由于仿真模型的輸出功率是確定的，電池電壓可以通過式(13)計算，電池電流也隨即可得。因此，通過所消耗H2的摩爾流量和電池電流的關(guān)系以及給定的燃料利用率，可得實際所需的H2的摩爾流量由式(15)求出：

(15)

式中，nH2,eq為實際所需的H2摩爾流量, mol/h；nH2,con為所消耗的H2摩爾流量, mol/h。獲取了nH2,eq后就可以利用式(16)和燃料的組成進(jìn)而求得所需新鮮燃料通入的摩爾流量。

(16)

式中，nf為新鮮燃料通入的摩爾流量, mol/h；CH2,in,CCO,in,CCH4,in,CC2H6,in為相應(yīng)的燃料組成。

按式(17)可以求得SOFC的效率：

(17)

式中，η為SOFC效率；W為電池輸出功率, W；Qfuel為電化學(xué)反應(yīng)的燃料的低熱值, J/kg。

2.4.3 蒸汽碳比

為防止SOFC電池堆內(nèi)部發(fā)生積碳現(xiàn)象，且獲得燃料氣的循環(huán)比例，還需要設(shè)定合理的蒸汽碳比，即水蒸氣H2O分子量和燃料氣成分中可燃部分的C原子量的比例。本文中所設(shè)定的蒸汽碳比為2.5。

2.4.4 模型驗證

(1)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對比

燃料電池本體模擬的準(zhǔn)確性對于整個系統(tǒng)來說至關(guān)重要，本文對SOFC本體進(jìn)行模型仿真，選取的數(shù)據(jù)和參數(shù)與文獻(xiàn)[12-14]相同，見表1。

表1 模擬計算條件Tab.1 Analog computation condition

將電壓、電流、效率和蒸汽碳比等計算模塊得到的結(jié)果與文獻(xiàn)中的實驗值進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。模型與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相差不大，可以進(jìn)一步進(jìn)行實驗驗證。

表2 計算數(shù)據(jù)對比Tab.2 Computational data comparison

(2)與實驗結(jié)果對比

如圖5所示，在實驗室中搭建了功率為100 W左右的小型RSOC電堆進(jìn)行實驗驗證。由于催化劑Ni是C形成的優(yōu)良催化劑，而碳納米管形式的碳沉積會使電極損壞而導(dǎo)致設(shè)備快速故障[15],所以在進(jìn)行實驗時沒有采用含C燃料氣，僅采用H2進(jìn)行相關(guān)IV曲線測試。流程模擬的模型參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，單片電池參數(shù)見表3，實際測試采用了30片單電池串聯(lián)而成的RSOC電堆。

圖5 RSOC電堆測試系統(tǒng)Fig.5 RSOC test system

表3 單片電池部分測試參數(shù)Tab.3 Single cell part test parameters

測試所得的IV曲線如圖6所示，由圖6可知，在模擬中設(shè)置好與實驗相符的參數(shù)后，仿真與實驗值吻合得較好，在內(nèi)部參數(shù)相近的情況下，初步認(rèn)為模型建立較為準(zhǔn)確，并可應(yīng)用于下一步的分析。

圖6 IV曲線Fig.6 IV curve

2.5 RSOC發(fā)電端模擬結(jié)果

2.5.1 燃料利用率的影響

燃料利用率的提高可以減少陽極廢氣中的燃料成分?？刂颇Ｐ偷目傒敵龉β蕿?20 kW，調(diào)整Uf為60%～95%進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 燃料利用率對燃料電池電壓和效率的影響Fig.7 Effects of fuel utilization rate on fuel cell voltage and efficiency

圖8 燃料利用率對燃料輸入量和電流密度的影響Fig.8 Effects of fuel efficiency on fuel input and current density

由圖7和圖8可知，在輸出功率不變的前提下，電壓隨燃料利用率的增大而減小，效率則隨著燃料利用率的增大先增后減，并在Uf為85%左右時獲得最大值。由式(15)可知，在輸出功率不變的情況下，Uf的增加會造成所需燃料的增加，進(jìn)而導(dǎo)致電壓的減小和電流密度增加。由式(17)可知，電池效率和電壓與燃料利用率之積成正比，對比發(fā)現(xiàn)效率在燃料利用率為85%附近時最高，與預(yù)期相符，證明了模型的可靠性。

2.5.2 電流密度的影響

圖9為給定燃料利用率(85%)下電流密度對系統(tǒng)電壓、效率、進(jìn)空氣流量和進(jìn)燃料氣流量的影響。燃料電池工作時會出現(xiàn)極化損失，因此電壓隨著電流密度的增加而降低[16]。當(dāng)電流密度增加時，所消耗的燃料流量也會增加，所需的進(jìn)燃料氣量和空氣量也會隨之增加。

圖9 電流密度對燃料電池性能的影響Fig.9 Effects of current density on fuel cell performance

2.5.3 工作溫度的影響

圖10是工作溫度對其電壓和效率的影響。SOFC的電化學(xué)模型可由能斯特電壓、歐姆極化、活化極化和濃度極化四部分構(gòu)成。溫度小于1 000 K時，歐姆極化和活化極化所造成的電壓損失比較大，所以對電壓的影響也比較大，隨著溫度升高，活化極化和歐姆極化所造成的電壓損失減小，所以電池電壓也隨之增加。當(dāng)溫度高于一個閾值時，能斯特電壓降低的速度將大于三種極化損失的速度，因此電壓先增后減。效率也隨溫度的升高先增后減，且在1 000 K附近時達(dá)到極值，運(yùn)行在此溫度附近的SOFC系統(tǒng)可以得到最大的效率。合理的溫度取值要求既不會給系統(tǒng)帶來最大的溫度梯度，又可使系統(tǒng)的效率達(dá)到最大。

圖10 工作溫度對SOFC電壓和效率的影響Fig.10 Effects of operating temperature on SOFC voltage and efficiency

3 RSOC產(chǎn)氫端建模

這部分通過Aspen Plus模擬工作過程獲得了RSOC在產(chǎn)氫模式下各個內(nèi)部系統(tǒng)的溫度、壓力、燃料氣與空氣的流量。利用內(nèi)置的Fortran模塊對其電化學(xué)模型進(jìn)行開發(fā)，以滿足后面的性能分析。最后分析了電解池的工作溫度、回流水比例、氫電極入口組分等參數(shù)間的影響關(guān)系。

3.1 模型流程設(shè)計

SOEC系統(tǒng)流程模擬如圖11所示。物流1是流向SOEC的氫電極側(cè)帶有水蒸氣的物流，首先進(jìn)入模塊LRWGS，這是為了模擬逆向水煤氣變換反應(yīng)在低溫時的狀態(tài)。進(jìn)入此模塊的物質(zhì)會發(fā)生反應(yīng)使吉布斯自由能最小化，這也說明可逆固體氧化物燃料電池電極具有催化功能，使逆水煤氣變換反應(yīng)成為可能，此過程會使氫氣和二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生水和一氧化碳。之后與從SEP2模塊循環(huán)利用的物流11的水蒸氣通過MIXER模塊混合后進(jìn)入換熱器模塊將溫度提升到電解溫度，然后進(jìn)入實際電解ELECTRO模塊，在此處發(fā)生電解水蒸氣的反應(yīng)，發(fā)送到氧氣電極，其余氣體送入HRWGS模塊。本模型中利用SEP模塊的分流器來模擬氧電極氣道發(fā)生的離子反應(yīng)，并且物流OXYGEN的功能是作為氧氣電極的吹掃氣體。位于電解池出口的HRWGS模塊中發(fā)生逆向水煤氣變換反應(yīng)。在該步驟中產(chǎn)生的水通過物流11被送回到MIXER模塊，這種再循環(huán)是必要的，因為實際上這些反應(yīng)發(fā)生在整個電池中，而不僅發(fā)生在入口和出口。

圖11 SOEC流程模擬Fig.11 SOEC process simulation

3.2 電化學(xué)計算模型

以能斯特方程為基礎(chǔ)計算RSOC產(chǎn)氫端的工作電壓：

(18)

E0=1.235-2.4516×10-4T

(19)

式中，Vn為能斯特電池電位, V；E0為僅隨溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位，V；Xi,b為總流量中氣體i的摩爾分?jǐn)?shù)；TPEN為工作溫度, K；F為法拉第常數(shù)；R為氣體常數(shù)；ne為每個電化學(xué)反應(yīng)所轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；PA為產(chǎn)氫端壓強(qiáng), Pa；Pamb為環(huán)境壓強(qiáng), Pa。

Vn代表考慮的氧化還原對電池影響的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位。但Vn不是電池向外界表現(xiàn)的電勢，所以必須考慮電損耗。電損耗是由固有的SOEC特性引起的，該特性即為面積特性電阻(Area Specific Resistance，ASR)?？墒褂孟率龉竭M(jìn)行估算，具體取決于1 100 K時的固定初始ASR值：

(20)

式中，ASR為面積特性電阻, Ω·cm2；ASR1 100為指定溫度1 100 K下的面積比電阻，使用現(xiàn)有技術(shù)時1.25 Ω·cm2為電池堆的可實現(xiàn)的短期ASR[17]。

開路電壓可以通過式(21)進(jìn)行計算：

Vop=Vn+i·ASR

(21)

式中，Vop為電池中的工作電壓，V；i為通過電池的電流密度, A/cm2；i·ASR為考慮了SOEC級別的電損耗, V。

燃料極氣體的利用率可以用電化學(xué)物質(zhì)的消耗來表示，燃料利用率可以寫為[18]：

(22)

式中，nH2O,out和nCO2,out分別為出口處水蒸氣和二氧化碳的摩爾流量, mol/h；nH2O,in和nCO2,in分別為入口處的水蒸氣和二氧化碳的摩爾流量, mol/h。

3.3 RSOC產(chǎn)端模擬結(jié)果

3.3.1 模型運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)

表4為運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)。以表4為基礎(chǔ)進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)氫端性能分析，其中壓強(qiáng)默認(rèn)為1.01×105Pa。

表4 運(yùn)行結(jié)果Tab.4 Operation results

3.3.2 工作溫度的影響

如圖12所示，當(dāng)RSOC工作在SOEC模式時，工作溫度對電解產(chǎn)物比例的影響很大。H2產(chǎn)量與SOEC的工作溫度成正比，而CO2出口流量則與工作溫度成反比。說明溫度的升高對于逆向水煤氣反應(yīng)來說是有利的，有利于減少CO2，同時也可以產(chǎn)生H2和CO的合成氣。這有利于能量利用，對選擇電解池的工作溫度有指導(dǎo)意義，但是實際選擇時還需要關(guān)注工作溫度對裝置整體溫度梯度的影響。

圖12 溫度對SOEC出口氣體流量的影響Fig.12 Effects of temperature on quantity of SOEC exported gas

圖13是溫度對燃料電極氣體利用率的影響?？梢钥闯觯瑴囟壬?，燃料電極的氣體利用率反而降低。這是因為回流水的存在使得進(jìn)入電解池的水蒸氣量得到提升，但整體電解效率并沒有提升，所以電解池出口剩余水的含量反而升高。此時回流水的比例越高，出口時水的含量就越高。這將影響電解池燃料電極的氣體利用率，但如果將回流水蒸氣的熱量加以利用，整個系統(tǒng)的能量利用效率就會得到大幅提升，所以充分設(shè)計RSOC的熱管理系統(tǒng)對于整個裝置來說是至關(guān)重要的。

圖13 溫度對燃料電極氣體利用率的影響Fig.13 Effects of temperature on gas efficiency of fuel electrode

3.3.3 回流水比例的影響

如圖14所示，回流水系統(tǒng)回流的比例對出口氣體流量的影響很大。出口處H2流量隨著回流水比例的增大而增大，水蒸氣的流量增加幅度比較平穩(wěn)，CO2流量隨回流水比例的增大而減小。這說明水蒸氣的回流增強(qiáng)了整個電解池的電解反應(yīng)。同理，回流水比例的增加還會增加第二步逆向水煤氣變換反應(yīng)的反應(yīng)物H2，這有利于平衡反應(yīng)的正向進(jìn)行，所以CO2的流量隨回流水比例的增加而減小。

圖14 回流水比例對出口氣體流量的影響Fig.14 Effects of backflow water ratio on outlet gas flow rate

回流水比例對燃料電極氣體利用率的影響如圖15所示。相比于圖13，其氣體利用率的變化幅度更為明顯也更劇烈。因為在電解效率一定的情況下，回流水比例的提高雖然使燃料電極氣體的利用率有所降低，但是對于提高系統(tǒng)整體能量利用率來說是有利的。

圖15 回流水比例對燃料電極氣體利用率的影響Fig.15 Effects of backflow water ratio on gas utilization rate of fuel electrode

3.3.4 氫電極入口組分的影響

在其他條件與之前保持一致，僅僅改變氫電極入口組分的水碳比。如圖16所示，氫電極入口組分對燃料電極利用率的影響非常大。隨著H2O/CO2比例的提高，燃料電極的利用效率有所降低。提高進(jìn)氣H2O/CO2比例使逆向水煤氣變換反應(yīng)向著不利于反應(yīng)物方向進(jìn)行，這不會消耗太多的H2生成CO，所以更有利于提高出口的H2量，但會伴生大量的CO2，不利于綠色運(yùn)行。因此選擇合適的入口氣體比例十分重要。結(jié)合圖17可以看出，過高的H2O/CO2比例不利于逆向水煤氣變換反應(yīng)的發(fā)生。

圖16 氫電極入口組分對燃料電極利用率的影響Fig.16 Effects of hydrogen entry component on fuel electrode efficiency

圖17 氫電極入口組分對出口燃料的影響Fig.17 Effects of hydrogen electrode inlet composition on outlet fuel

4 結(jié)論

RSOC具有模塊化特性，可以實現(xiàn)發(fā)電與制氫的可逆運(yùn)行，是一種高效的能源轉(zhuǎn)換新技術(shù)。本文使用流程模擬方法，對RSOC中SOFC和SOEC模式下的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了RSOC在穩(wěn)態(tài)條件下單電池內(nèi)部各個微尺度參數(shù)的變化規(guī)律。得到以下結(jié)果：

(1)電池在SOFC穩(wěn)態(tài)模式工作時，燃料電池的性能受燃料利用率、電流密度和工作溫度的影響。燃料利用率為85%左右時電池效率達(dá)到最大值；電流密度的增加會提高電池效率；電壓和電池效率也受到系統(tǒng)工作溫度的影響，并在1 000 K附近達(dá)到極值。實際應(yīng)用中固然很難達(dá)到85%的燃料利用率，但可以控制電流密度和溫度在一個合適的范圍以減少極化損耗和過高的溫度梯度帶來的負(fù)面效應(yīng)。

(2)電池在SOEC穩(wěn)態(tài)模式下工作時，電解池的工作溫度、回流水比例、氫電極入口組分等參數(shù)間會相互影響。溫度的升高可減少CO2的排放；水蒸氣的回流增強(qiáng)了整個電解池的電解反應(yīng)，出口處H2的流量隨之增加，CO2流量減少；在進(jìn)料氣中加入CO2則會對電解反應(yīng)產(chǎn)生積極影響。