固体氧化物电解槽共电解H2O/CO2的多物理场研究

孙孚; 张景皓; 薛俊庆; 侯杰; 杨应举; 邹春; 刘晶

doi:10.16056/j.2096-7705.2026.02.002

能源研究与管理 ›› 2026, Vol. 18 ›› Issue (2) : 13 -20+28+157. DOI: 10.16056/j.2096-7705.2026.02.002

固体氧化物电解槽共电解H₂O/CO₂的多物理场研究

孙孚, 张景皓, 薛俊庆, 侯杰, 杨应举, 邹春, 刘晶

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摘要

为探究固体氧化物电解槽（solid oxide electrolysis cell,SOEC）的H₂O/CO₂共电解性能并优化工艺参数，本文建立了包含阴极流道、多孔镍-钇稳定的氧化锆阴极（nickel-yttrium stabilized zirconia,Ni-YSZ）、钇稳定的氧化锆（yttrium stabilized zirconia,YSZ）电解质、多孔镧锰酸锶La_1-xSr_xMnO_3-δ钇稳定的氧化锆（lanthanum strontium manganate-yttrium stabilized zirconia,LSM-YSZ）阳极及阳极流道的SOEC多物理场模型，研究了电极活性比表面积、工作电压、入口气体温度对H₂O/CO₂共电解性能的影响规律。结果表明，增大电极活性比表面积可以提升SOEC的CO₂/H₂O共电解性能，但当电极活性比表面积增大到2×10～5m^-1以后，CO₂/H₂O共电解性能逐渐趋于稳定。工作电压高于热中性电压时，电解槽温度升高；虽然在电压为1.5 V的条件下CO₂转化率接近1，但法拉第效率与能量效率却降低。此外，虽然提升入口温度、电流密度助于反应，但反应物快速消耗会导致电流密度衰减。经参数优化后，SOEC的最佳运行参数为电极活性比表面积2.5×10～5m^-1、入口温度1 323 K、工作电压1.4 V，系统的能量效率、CO法拉第效率和CO₂转化率分别为57%、35%和80%，可为SOEC的CO₂电解工业化应用提供理论支撑。