甲烷/甲醇固体氧化物燃料电池输出电特性与内部多物理场分布模拟研究

李博涵; 刘畅; 王朝阳; 刘明; 严俊杰

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (3) : 9 -20.

李博涵, 刘畅, 王朝阳, 刘明, 严俊杰

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摘要

为揭示固体氧化物燃料电池(SOFC)在不同种类燃料供应时电池内部多物理场之间的相互作用规律，建立并验证了多场耦合的三维平板式SOFC单电池模型，对比研究了以氢气、甲烷、甲醇为燃料的SOFC稳态性能差异，获得了电池内部温度场、浓度场分布特性和碳氢燃料在电池中的积碳特性。研究结果表明：甲烷燃料的预重整能够有效提高电池放电能力，预重整度提高20%,电池最大输出功率提高8%。与甲烷相比，甲醇燃料的预重整对电池输出功率影响较小。采用甲烷燃料能够降低电池因温度梯度过大而损坏的风险，电池阳极-气体流道交界面的最大温度梯度为10 K/cm,相比于以氢气作为燃料时的22 K/cm有明显的下降。研究获得了不同电压下电池内部的积碳速率分布特性，运行电压U降低会增大电池内部的积碳速率，U=0.5 V时甲烷燃料的积碳速率约为U=0.9 V时积碳速率的2倍以上。相比于甲烷作为燃料，选取甲醇作为SOFC电池的燃料时，电池内部具有更低的积碳风险。