DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123646
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924010298
氨是一种无碳能源载体，预计将在未来的全球能源系统中发挥重要作用。本工作是两部分论文中的第一部分，该论文使用多尺度建模方法来分析使用 NH3 燃料的混合固体氧化物燃料电池-燃气轮机系统概念。固体氧化物燃料电池电源模块基于高功率密度 Ni-GDC/GDC/SSC 电池架构，该架构根据实验纽扣电池数据校准，中间工作温度范围为 500-675 ℃。阳极中催化活性 Ni 颗粒表面上的氨分解由基本动力学机制建模，而基于物理的分布式电荷转移模型则考虑了二氧化铈电解质的混合导电行为。从纽扣电池扩展到全尺寸电池堆时电池性能的下降在建模方法中得到考虑，该方法包括加压 3-D 电池堆模拟。模拟结果表明，基于 GDC 的电池设计在 H2 和直接 NH3 操作之间存在显著的性能差距；特别是在低于 600 ℃ 的操作温度下，这可以归因于 NH3 操作特有的缓慢分解动力学和质量传输阻力。然而，模拟结果表明，当从 1 atm 切换到 10 atm 时，加压有望在 0.7 V 时将电池功率密度显着提高 55% 以上，并且可以消除对外部氨裂解器的需求。在低温下使用氨燃料操作基于 GDC 的电池还可以最大限度地减少电解质中的漏电流。作为移动应用的先决条件，该模型强调了堆设计同时达到高功率密度和效率的主要可行性，但同时，模拟结果表明需要在集成系统级别精确控制堆参数，因为堆性能对变化的操作条件具有很高的敏感性。
研究亮点包括：
多尺度模拟平台，用于研究基于 GDC 的燃料电池和电池组。
分布式电荷转移模型与实验数据表现出极好的一致性。
由于动力学和传输限制，直接氨操作下的性能较低。
加压可大幅提高基于 GDC 的电池架构的功率密度。
低操作温度和操作可最大限度地减少电子漏电流。
Fig. 1. Illustration of the multiscale modeling approach to simulate high power-density direct NH3-fueled SOFCs having a Ni-GDC/GDC/SSC-GDC cell configuration with internal leakage current. Modeling domains on (a) 1D button cell and (b) 3D stack level, as well as (c) the integration of the stack model with plant components to perform SOFC-GT hybrid system simulations, which is subject of the second part of this paper series.
总而言之，作者介绍了一个多尺度模拟平台的细节，该平台用于对高功率密度二氧化铈直接 NH3 燃料 SOFC 电池和工业级电池组的性能进行数值研究。NH3 的热催化分解通过热力学一致的 12 步基本动力学反应机理 进行建模，而基于物理的分布式 CT 模型考虑了所有 MEA 层上的电子和离子传输途径，用于描述电池极化行为，包括 GDC 电解质中电子漏电流的发生。通过参考在高性能 Ni-GDC/GDC/SSC-GDC 纽扣电池上收集的极化和电阻数据，在不同的操作条件下校准和验证电化学模型。然后，该模型用于详细映射 NH3 燃料 SOFC 电池和基于 GDC 架构的电池组的性能，特别关注研究符合耦合到 GT 的要求的加压操作条件。
模拟结果与实验数据非常吻合，表明 CT 模型准确地捕捉到了电池的电化学行为。预计漏电流会随着极化的增加和燃料进料流中 H2/H2O 比率的降低而减小，这为通过降低操作温度和供应 NH3 燃料来减轻法拉第效率损失提供了视角。结果预测在加压条件下，面积特定功率密度将显著增加，具体而言，在 600 ℃时实际电池极化从 1 atm 切换到 10 atm 时，面积特定功率密度将增加 55% 以上。结果还强调需要考虑较低工作温度下 NH3 分解的缓慢动力学，以及直接 NH3 操作特有的质量传输阻力。这要求在系统层面上采用非常精确的控制策略，以满足大规模运输应用的性能要求，因为电压效率、法拉第效率和功率密度的参数趋势相互冲突，导致堆栈性能对变化的操作条件敏感。然而，在精心选择操作参数的情况下，该模型表明设计高性能 NH3 燃料 GDC 基 SOFC 堆的主要可行性：在 550 ℃ 气体入口温度、15 个大气压、0.75 V 平均电池电压、50% 阳极气体循环和高反应物利用率（∼ 80%）下，120 个电池堆预计达到 0.51 W cm−2 的面积比功率密度和 94.3% 的法拉第效率。基于 GDC 的电池能够在高功率密度操作下实现原位氨裂解而不会产生大的温度梯度和相关的高热应力，这进一步支持了与消除外部氨裂解反应器相关的系统级优势。
