【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于固體氧化物電解池領域，涉及了一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法；具體的是，涉及了一種包含梯度陰極結構的固體氧化物電解池的建模仿真方法。
技術介紹
1、固體氧化物電解池(solid?oxide?electrolysis?cell,soec)是一種全固態能量轉換器件，能高效地將電能和熱能轉換為化學能，可結合太陽能、風能、地熱能等可再生能源和工業余熱將h2o和co2轉化為h2、co、ch4等燃料。soec具有能量轉化效率高、反應速率快、能實現可逆運行模型、成本低廉等優勢，是極具前景的化學儲能方式。
2、soec性能受到各種極化損耗的限制，包括歐姆極化、活化極化和濃差極化。在給定的反應條件下，這些損耗很大程度取決于電解池各部件材料、電極微結構和幾何參數。soec按照支撐類型可以分為陽極支撐、電解質支撐和陰極支撐。由于電解質材料具有較低的離子電導率，電解質支撐型soec會存在較大的歐姆阻抗，因此目前soec常采用陰極支撐結構，以實現電解質層的薄膜化，降低soec的歐姆損耗。在采用陰極支撐結構時需要考慮機械強度、電極中質量輸運的限制和活性反應面積的大小。因此，引入梯度陰極結構，可以保持電極的高比表面積并改善活性位點的分布，還可以降低反應氣體和產物氣體在多孔電極中的傳輸阻力，降低soec中的濃差極化，提升soec的整體性能。
技術實現思路
1、針對上述問題，本專利技術目的是針對現有技術的缺陷，提出了一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法；以soec三
2、本專利技術的技術方案是：本專利技術所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其操作步驟如下：
3、步驟(1)：建立包含梯度孔陰極的固體氧化物電解池的三維幾何模型；
4、步驟(2)：輸入電解池各部件材料的物性參數及反應氣體和產物氣體的物性參數；
5、步驟(3)：根據二元隨機填充球模型和逾滲理論，計算電極單位體積內的三相界面面積；
6、步驟(4)：設置物理場控制方程及邊界條件，建立含梯度孔陰極的固體氧化物電解池的三維多物理場耦合模型；
7、步驟(5)：針對上述三維多物理場耦合模型，進行模型驗證，確保模型的準確性；
8、步驟(6)：針對上述校驗后的soec三維多物理場耦合模型，通過求解允許范圍內陰極不同結構參數下的仿真結果，并進行分析，探究影響電解池性能的關鍵結構參數，并考慮優化問題。
9、進一步的，在步驟(1)中，soec單電池的三維幾何模型根據實際固體氧化物電解池的三維結構尺寸構建，包括多孔陽極、電解質、含梯度結構的多孔陰極，以及用于輸運反應氣體和生成氣體的氣流通道；
10、其中，所述梯度電極中，孔隙率、離子/電子導體顆粒半徑沿電極厚度方向以梯度形式增加。
11、進一步的，在步驟(2)中，所述的物性參數包括電解池各部件材料的物性參數及電極側反應氣體的物性參數，具體包含：電極有效電導率、交換電流密度、導熱系數、恒壓熱容、比熱率、密度、動力粘度及氣體擴散系數；
12、其中，所述電極側反應氣體包括陰極和陽極側反應氣體，所述陰極和陽極側反應氣體的物性參數可根據具體組分定義為溫度依賴函數。
13、進一步的，在步驟(3)中，多孔電極可看作是離子導體和電子導體之間的相互堆積，假設電極中電子導體和離子導體顆粒各占50％，且二者半徑軍等于平均孔半徑；根據二元隨機填充球模型和逾滲理論，電極單位體積內的三相界面面積stpb與電子導體和離子導體顆粒的接觸面積、同種顆粒的接觸概率有關，計算式為：
14、
15、式中，θ表示電子導體顆粒和離子導體顆粒間的接觸角，假設所有顆粒之間的接觸角為15°，表示顆粒平均半徑，nt表示電子導體顆粒和離子導體顆粒的總數，nel表示離子導體顆粒在所有顆粒中所占的百分比，zel-io表示離子導體顆粒和電子導體顆粒之間的平均配位數，pel表示離子導體顆粒鏈概率，pio表示電子導體顆粒鏈概率。
16、進一步的，多孔電極單位體積內兩種導體顆粒的總數通過下式計算：
17、nio＝1-nel
18、式中，ε為電極的孔隙率，nio表示電子導體顆粒在所有顆粒中所占的百分比，rel和rio分別表示離子顆粒和電子顆粒的平均半徑；顆粒數分數可以通過實驗測量電極中組分體積分數后再計算得到：
19、
20、式中，φel表示多孔電極中離子導體所占的體積分數，α表示電子導體顆粒平均半徑與離子導體平均半徑之比。
21、進一步的，在步驟(4)中，soec內部存在多種反應相互影響與多組分復雜傳熱傳質過程強烈耦合，建立soec多物理場耦合模型時需在各計算域上設置對應的物理場控制方程，包含電化學反應方程、化學反應方程、質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程及電荷守恒方程；
22、所述邊界條件包括流動入口邊界條件、壓力出口邊界條件、氣體組分入口邊界條件、溫度邊界條件，通過方程源項及共有變量的調用實現多物理場的耦合。
23、進一步的，在步驟(5)中，對soec的三維幾何模型進行網格劃分，驗證網格無關性，結合soec實驗數據驗證模型的準確性，確保仿真結果可靠。
24、進一步的，在步驟(6)中，所述通過在允許范圍內設置含梯度孔陰極各層的厚度、孔隙率、離子/電子導體顆粒直徑，對具備不同陰極結構參數的soec進行建模仿真，獲得模型性能相關數值解及模型內參數分布云圖，通過對比分析，得出影響soec電解性能的關鍵參數及相關優化方案。
25、本專利技術的有益效果：1、采用梯度電極，能同時滿足陰極中氣體輸運和電化學反應活性面積的需求，使陰極中氣體分布更加均勻，有效提升陰極的電解性能；2、在對soec進行建模時，精確還原了電池的實際結構，考慮了混合氣體物性參數和環境溫度的影響，考慮了不同物理場之間的相互耦合，并結合二元隨機堆積模型和逾滲理論對陰極中的反應活性面積進行計算，使模型預測更貼近實際情況；3、通過建立含不同微觀結構的梯度陰極的soec三維仿真模型，對其點解性能進行分析，得到更優陰極結構，對固體氧化物電解池陰極結構的優化設計具有指導意義。
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1.一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，其操作步驟如下：
2.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(1)中，SOEC單電池的三維幾何模型根據實際固體氧化物電解池的三維結構尺寸構建，
3.根據權利要求2所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，其中，所述梯度電極中，孔隙率、離子/電子導體顆粒半徑沿電極厚度方向以梯度形式增加。
4.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(2)中，所述的物性參數包括電解池各部件材料的物性參數及電極側反應氣體的物性參數，具體包含：電極有效電導率、交換電流密度、導熱系數、恒壓熱容、比熱率、密度、動力粘度及氣體擴散系數。
5.根據權利要求4所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，其中，所述電極側反應氣體包括陰極和陽極側反應氣體，所述陰極和陽極側反應氣體的物性參數可根據具體組分定義為溫度依賴函數。
6.根據權利要求1所述的一種含梯度
7.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(3)中，多孔電極單位體積內兩種導體顆粒的總數通過下式計算：
8.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(4)中，所述建立SOEC多物理場耦合模型時需在各計算域上設置對應的物理場控制方程，包含電化學反應方程、化學反應方程、質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程及電荷守恒方程。
9.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(4)中，所述邊界條件包括流動入口邊界條件、壓力出口邊界條件、氣體組分入口邊界條件、溫度邊界條件，通過方程源項及共有變量的調用實現多物理場的耦合。
10.根據權利要求1所述的1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(6)中，所述通過在允許范圍內設置含梯度孔陰極各層的厚度、孔隙率、離子/電子導體顆粒直徑，對具備不同陰極結構參數的SOEC進行建模仿真，獲得模型性能相關數值解及模型內參數分布云圖，通過對比分析，得出影響SOEC電解性能的關鍵參數及優化方案。
...【技術特征摘要】
1.一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，其操作步驟如下：
2.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(1)中，soec單電池的三維幾何模型根據實際固體氧化物電解池的三維結構尺寸構建，
3.根據權利要求2所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，其中，所述梯度電極中，孔隙率、離子/電子導體顆粒半徑沿電極厚度方向以梯度形式增加。
4.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(2)中，所述的物性參數包括電解池各部件材料的物性參數及電極側反應氣體的物性參數，具體包含：電極有效電導率、交換電流密度、導熱系數、恒壓熱容、比熱率、密度、動力粘度及氣體擴散系數。
5.根據權利要求4所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，其中，所述電極側反應氣體包括陰極和陽極側反應氣體，所述陰極和陽極側反應氣體的物性參數可根據具體組分定義為溫度依賴函數。
6.根據權利要求1所述的一種含梯度陰極的固體氧化物電解池的建模仿真方法，其特征在于，在步驟(3)中，根據二元隨機填充球模型和逾滲理論，電極單位體積內的三相界面面積s...
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