蔡偉強(qiáng)，袁金良，鄭青榕，尹自斌，裴玉堯，張中剛

碳?xì)淙剂瞎腆w氧化物燃料電池的多場耦合模型與熱應(yīng)力分析

蔡偉強(qiáng)1, 2，袁金良3，鄭青榕1, 2，尹自斌1, 2，裴玉堯1，張中剛1, 2

(1. 集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，廈門 361021；2. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門 361021；3. 寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，寧波 315832)

為研究以碳?xì)浠衔餅槿剂系逆嚮枠O固體氧化物燃料電池(SOFC)中復(fù)雜的多物理場傳遞過程，以某實(shí)際生產(chǎn)的SOFC為原型，基于有限元法分別建立了順流和逆流兩種不同進(jìn)氣方式的多物理場三維模型．分析了典型工況下電極化學(xué)反應(yīng)、多組分傳質(zhì)、傳熱過程的耦合特性，并給出了熱應(yīng)力分布．結(jié)果表明，SOFC的溫度分布趨勢受工作電壓的影響較大，且同電壓下逆流方式電池內(nèi)的最大溫差低于順流方式；氣體流向配置會影響SOFC內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率，且順流時反應(yīng)速率分布得更為均勻；甲烷裂解反應(yīng)受到抑制，最大反應(yīng)速率僅為9.97×10-4mol/(m3·s)，積碳活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1；從電解質(zhì)層到陰極層，會發(fā)生應(yīng)力突變，應(yīng)力值從32MPa驟升至294MPa．

碳?xì)淙剂?；固體氧化物燃料電池；化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)；固體力學(xué)；數(shù)值分析

為推動能源結(jié)構(gòu)合理化，早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，SOFC作為一種新型的能源轉(zhuǎn)換裝置，因其具有綠色環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到研究人員的關(guān)注[1-4]．SOFC的運(yùn)行高溫特性以及多孔鎳基陽極使得甲烷、天然氣等碳?xì)淙剂显谄鋬?nèi)部重整制氫成為可能[5-6]．但高溫工況下各組件間熱力學(xué)性能不匹配、Ni基陽極的重復(fù)氧化-還原，碳沉積等因素加劇了電池壽命的不穩(wěn)定性[7-8]．電池微納米多孔電極內(nèi)部傳質(zhì)、傳熱、動量傳遞、化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)等諸多復(fù)雜過程之間的相互耦合，通過實(shí)驗(yàn)難以揭示SOFC運(yùn)行過程的內(nèi)部機(jī)理和不同進(jìn)氣方式所產(chǎn)生的溫度梯度影響應(yīng)力分布的規(guī)律[9]，數(shù)值模擬由此受到重視[10-11]．

Ahmed等[12]通過數(shù)值模擬比較了幾種不同CH4重整反應(yīng)動力學(xué)方程，考慮MSR(methane steam reforming)、WGSR(water gas shift reaction)反應(yīng)對SOFC電壓、電流和溫度分布的影響．Ong等[13]建立了一維MEA模型，發(fā)現(xiàn)在到達(dá)三相界面之前，CO并非全部參與WGSR反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2，部分CO也參與了電化學(xué)反應(yīng)．多孔陽極中的Ni是催化C—H鍵斷裂的良好催化劑，碳?xì)淙剂蠒陉枠O表面發(fā)生裂解反應(yīng)，生成碳單質(zhì)，以粉末、晶須等形態(tài)覆蓋在陽極表面，造成陽極的氣孔堵塞，阻塞反應(yīng)活性位點(diǎn)，甚至?xí)﹄姌O結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力破壞[14-16]．Schluckner等[14]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對鎳基陽極內(nèi)的積碳情況進(jìn)行研究，驗(yàn)證了CH4多相反應(yīng)機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)在燃料入口處更易發(fā)生碳沉積．Fan等[17]為研究氣體流向配置對電池?zé)釕?yīng)力分布的影響，建立了SOFC三維模型，發(fā)現(xiàn)CH4重整反應(yīng)吸熱和電化學(xué)反應(yīng)放熱所導(dǎo)致的溫度分布不均，均會影響各組件的熱應(yīng)力分布和最大熱應(yīng)力．Xu等[18]和Clague等[19]在求解運(yùn)行工況下的熱應(yīng)力時，直接將燒結(jié)溫度作為無應(yīng)力參考溫度，忽略了電池因燒結(jié)完成而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力．同時多孔陽極中Ni-NiO的重復(fù)氧化還原、各組件材料的熱力學(xué)參數(shù)隨溫度發(fā)生改變[20]，都會對電池的熱應(yīng)力分布造成影響．

基于此，本文在以往的研究基礎(chǔ)上，借助有限元分析軟件COMSOL分別建立了順流和逆流兩種不同進(jìn)氣方式的多物理場三維模型．模型耦合了SOFC電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、氣體組分?jǐn)U散、熱傳遞過程，并在電化學(xué)模型基礎(chǔ)上，添加彈性本構(gòu)方程與溫度場耦合，進(jìn)行熱應(yīng)力分析．考慮了CO參與電化學(xué)反應(yīng)、碳?xì)淙剂系姆e碳行為；并綜合SOFC內(nèi)反應(yīng)的吸放熱源、材料的熱力學(xué)性能變化、制造殘余應(yīng)力對電池?zé)釕?yīng)力的影響．更為精確反映電池內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)理，以期為今后SOFC的設(shè)計優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)開展提供一定的指導(dǎo)性和預(yù)測性．

1?模型建立

1.1?幾何模型

以某實(shí)際生產(chǎn)的SOFC為原型，參考相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計了SOFC周期性單元[6]，由陰極支撐層(cathode support layer，CSL)、陰極活化層(cathode active layer，CAL)、電解質(zhì)層(electrolyte，EL)、陽極活化層(anode active layer，AAL)、陽極支撐層(anode support layer，ASL)、連接體(interconnect)等共同組成. PEN組件由陽極材料(nickel oxide-yttria stabilized zirconia，NiO-YSZ)，電解質(zhì)的材料(yttria stabilized zirconia，YSZ)，陰極材料由(La0.6Sr0.4Co0.2FeO3-δ-Gd2O3CeO2，LSCF-GDC)組成．陰、陽極為雙相復(fù)合材料，其電子導(dǎo)體的體積分?jǐn)?shù)分別為0.4和0.5．圖1為SOFC幾何模型及PEN組件中物質(zhì)傳遞示意，表1為模型全局參數(shù)[3]．

1.2?反應(yīng)模型

以碳?xì)浠衔?CH4，H2，H2O)為燃料時，MSR反應(yīng)生成的CO也參與電化學(xué)反應(yīng)，陽極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)可用式(1)、(2)計算．

陰極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)可用式(3)計算．

同時，在鎳基陽極中會發(fā)生MSR、WGSR反應(yīng)[21]．當(dāng)反應(yīng)溫度高于700℃時，一氧化碳歧化反應(yīng)和一氧化碳還原反應(yīng)都會受到抑制，只有甲烷裂解反應(yīng)(methane cracking，MC)隨著反應(yīng)溫度的升高而增大[15]，故該模型只考慮甲烷裂解反應(yīng)會產(chǎn)生積碳．具體反應(yīng)式見(4)～(6)．

圖1?SOFC幾何模型及PEN組件中物質(zhì)傳遞示意

表1?模型的全局參數(shù)

Tab.1?Global parameters of model

眾多研究者采用積碳活性來預(yù)測SOFC內(nèi)部發(fā)生熱力學(xué)積碳的可能性[8,15-16]，Wei等[16]通過分析MSR的基元反應(yīng)，認(rèn)為重整反應(yīng)過程中的總積碳活性取決于鎳基催化劑表面化學(xué)吸附的碳(C*)濃度. 積碳活性car用式(7)計算[15]．當(dāng)car大于1時，表明在熱力學(xué)上會產(chǎn)生積碳．

基于反應(yīng)動力學(xué)原理的阿倫尼烏斯方程，MSR、WGSR、MC的反應(yīng)速率控制方程見表2[21-22]．SOFC內(nèi)部各物理場傳遞過程可以用相應(yīng)的控制方程與源項(xiàng)表達(dá)式來表達(dá)[21, 23-24]．

表2?反應(yīng)速率控制方程

Tab.2?Control equation for reaction rates

注：eMC為反應(yīng)平衡常數(shù)；＋、為正、逆反應(yīng)速率常數(shù)．

1.3?熱應(yīng)力模型

應(yīng)力模型中假定電池各組件發(fā)生的均是彈性形變，力學(xué)理論符合胡克定律，其控制方程見表3[2]，不同溫度工況下熱力學(xué)參數(shù)見表4[2, 7, 18-19]．

SOFC從燒結(jié)結(jié)束冷卻至室溫，再從室溫加熱至運(yùn)行高溫工況的過程中，假設(shè)NiO完全還原成Ni，并忽略Ni-NiO的重復(fù)氧化還原所造成的體積收縮．基于Chin-Lung Hsieh模型[25]計算陰、陽極雙相復(fù)合材料的物性參數(shù)．將燒結(jié)溫度(1400℃)作為無應(yīng)力參考溫度ref[18]，、、th選取20℃下對應(yīng)值，且0、0＝0，計算出制造殘余應(yīng)力[26]；再將殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變作為預(yù)應(yīng)力0和預(yù)應(yīng)變0，室溫(20℃)作為無應(yīng)力參考溫度ref，、、th為800℃下對應(yīng)值，從而計算出高溫工況下綜合殘余應(yīng)力以及熱力學(xué)參數(shù)變化影響的熱應(yīng)力分布．

表3?應(yīng)力模型控制方程

Tab.3?Governing equation based on stress model

注：為彈性矩陣；ref為自由應(yīng)力參考溫度(1400℃)[18]，通常由材料的制造工藝決定．

表4?不同溫度工況下熱力學(xué)參數(shù)

Tab.4　　Thermodynamic parameters under different tem-perature conditions

注：1)為假設(shè)值．

1.4?邊界條件

燃料流量為15.4mL/min，空氣流量為61.7mL/min，進(jìn)氣溫度800℃．陽極氣道中碳?xì)淙剂螲2O/CH4/H2摩爾分?jǐn)?shù)比為0.675/0.225/0.1，水碳摩爾比為3；陰極氣道中O2/N2摩爾分?jǐn)?shù)比為0.233/0.767.連接件下表面設(shè)置為接地，上表面設(shè)置為工作電勢；使用“剛體運(yùn)動抑制”條件來模擬SOFC的裝夾力，其他邊界條件設(shè)為自由邊界．

2?模型驗(yàn)證

模型做了網(wǎng)格無關(guān)性的驗(yàn)證工作，針對純氫為燃料，分別生成了網(wǎng)格數(shù)15440、23100、27400共3種高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，見圖2．經(jīng)計算，前兩種網(wǎng)格數(shù)值解的曲線偏離較大，進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，在誤差允許范圍內(nèi)兩種網(wǎng)格的數(shù)值解曲線基本重合，認(rèn)為23100的網(wǎng)格數(shù)符合要求．

圖2?網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，將運(yùn)行工況、材料屬性、初始條件設(shè)置為參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)相同的操作條件[27].陽極氣道中，以氫氣為燃料時，H2/H2O摩爾分?jǐn)?shù)比為0.95/0.05；以碳?xì)浠衔餅槿剂蠒r，H2O/CH4/ H2摩爾分?jǐn)?shù)比為0.675/0.225/0.1，水碳摩爾比為3；陰極氣道中O2/N2摩爾分?jǐn)?shù)比為0.233/0.767．見圖3，以氫氣為燃料時，最大相對誤差為6.6％；以合成氣為燃料時，最大相對誤差為9.1%．

圖3?仿真與實(shí)驗(yàn)V-I曲線對比

為驗(yàn)證該模型應(yīng)力性能的準(zhǔn)確性，將運(yùn)行工況、材料屬性、初始條件設(shè)置為參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)的相同操作條件[9]．將計算得到的最大壓應(yīng)力值與Yakabe等[9]實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Fan等[17]數(shù)值模擬結(jié)果對比，見表5，誤差均小于8%．

表5?YSZ層最大壓應(yīng)力對比

Tab.5　　Comparison of maximum compressive stress of YSZ layer

3?結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，分析了典型穩(wěn)態(tài)工況下SOFC流場設(shè)計(順流、逆流)對電池內(nèi)部各種物理量的影響.

3.1?溫度場分布

圖4和圖5所示分別為順、逆流方式下，陽極活化層中間截面中心線處的溫度沿軸正方向分布．從圖可以發(fā)現(xiàn)，SOFC內(nèi)的溫度場分布受工作電壓和進(jìn)氣方式的影響，工作電壓越低(電流密度越大)，溫度越高；同電壓下，逆流方式的最大溫差低于順流方式，即逆流方式的溫度分布更均勻．當(dāng)工作電壓小于0.7V時，兩種進(jìn)氣方式的溫度均大于1073.2K(進(jìn)氣溫度)，說明電化學(xué)反應(yīng)與極化損失等所放出的總熱量大于MSR吸熱量．另外該工況下H2的摩爾分?jǐn)?shù)沿軸正方向逐漸下降，說明電化學(xué)反應(yīng)消耗H2的速率大于MSR和WGSR生成H2的速率；CO的摩爾分?jǐn)?shù)沿軸正方向先上升后下降，說明在電池前部MSR生成CO速率大于電化學(xué)反應(yīng)與WGSR消耗CO的速率，隨后電化學(xué)反應(yīng)及WGSR消耗CO的速率大于MSR生成CO的速率．反之，當(dāng)工作電壓大于0.7V時，說明MSR吸熱量大于電化學(xué)反應(yīng)與極化損失等所放出的總熱量．

圖6所示為工作電壓0.6V，順、逆流方式下，電池表面的溫度分布．從圖6可以發(fā)現(xiàn)，順流時，單電池表面溫度沿軸正方向逐漸上升，最高溫度為1093K；逆流時，陰、陽極氣道入口處溫度較低，最高溫出現(xiàn)在電池中部，最高溫度為1081.6K．出現(xiàn)高溫主要源于電化學(xué)反應(yīng)放熱，而低溫則是由發(fā)生在多孔陽極的強(qiáng)吸熱MSR反應(yīng)和流道內(nèi)氣體的對流冷卻共同作用的．順流方式下，沿著軸正方向，前期受氣體通道內(nèi)氣體的對流冷卻和吸熱反應(yīng)MSR共同作用，延緩了電池溫度的上升，而后溫度上升加快電荷交換過程的進(jìn)行，促使電化學(xué)反應(yīng)釋放更多熱量，使得＝40mm處的溫度達(dá)到最高．逆流方式下，由于空氣與燃料氣流動方向相反，故在燃料入口處與空氣入口處所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)較弱，主要受氣體通道內(nèi)氣體的冷卻對流作用，溫度較低，而在電池中部電化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)，放出更多的熱量，溫度達(dá)到最高．

圖6?溫度分布

3.2?氣體組分分布

圖7和圖8所示分別為工作電壓0.6V，順、逆流方式下，CO2和CH4的組分分布．從圖可以發(fā)現(xiàn)，兩種進(jìn)氣方式下，氣體組分的分布趨勢基本一致．因?yàn)镃O2是電化學(xué)反應(yīng)和WGSR反應(yīng)的雙重產(chǎn)物，故CO2的摩爾分?jǐn)?shù)分布均沿著軸正方向逐漸上升；CH4的摩爾分?jǐn)?shù)均沿著軸正方向逐漸降低，主要是因?yàn)镠2初始含量低，更多的CH4參與了重整反應(yīng)，用于補(bǔ)充電化學(xué)反應(yīng)消耗的氫氣；在-截面處(＝20mm)，順流方式的CH4摩爾分?jǐn)?shù)消耗量大于逆流，且截面處濃度梯度也大于逆流；肋片下方多孔電極內(nèi)的CH4的摩爾分?jǐn)?shù)明顯低于流道正上方所對應(yīng)電極，主要是因?yàn)檠剌S正方向持續(xù)的內(nèi)重整反應(yīng)，CH4可以直接從流道擴(kuò)散到流道正上方所對應(yīng)的多孔電極，而肋片下方的燃料氣需要更長的擴(kuò)散路徑，氣體補(bǔ)充慢．

圖7?CO2摩爾分?jǐn)?shù)分布

圖8?CH4摩爾分?jǐn)?shù)分布

3.3?反應(yīng)速率分布

圖9和圖10所示分別為工作電壓0.6V，順、逆流方式下，陽極支撐層中間截面的MSR、WGSR反應(yīng)速率分布．從圖可以發(fā)現(xiàn)，兩種進(jìn)氣方式下MSR反應(yīng)速率均沿著軸正方向逐漸減小，這是因?yàn)閮煞N進(jìn)氣方式下，在＝0mm處CH4濃度最高，故隨著MSR反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)速率沿著軸正方向逐漸下降；兩種進(jìn)氣方式下WGSR的反應(yīng)速率均沿著軸正方向先降低，后上升．這是因?yàn)樵冢?mm處附近，MSR反應(yīng)強(qiáng)烈，生成CO濃度較大，故該區(qū)域的WGSR反應(yīng)速率沿著軸正方向逐漸減小，而后WGSR與電化學(xué)反應(yīng)CO-O2持續(xù)消耗了大量CO，使得該處WGSR進(jìn)行逆反應(yīng)來試圖提高CO含量，即WGSR的反應(yīng)速率變成負(fù)值；肋片下方多孔電極的反應(yīng)速率均小于流道正上方所對應(yīng)多孔電極，且順流方式下的反應(yīng)速率相較于逆流方式下分布得更加均勻．

圖11所示為工作電壓0.6V，順、逆流方式下，陽極支撐層中間截面的MC反應(yīng)速率分布．從圖可以發(fā)現(xiàn)，MC反應(yīng)受到抑制，最大反應(yīng)速率僅為9.97×10-4mol/(m3·s)；兩種進(jìn)氣方式下MCR的反應(yīng)速率均沿著軸正方向逐漸減小，且順流方式下的MCR反應(yīng)速率相較于逆流方式下分布得更加均勻．

圖9?x-y截面(z＝1.69mm)MSR反應(yīng)速率分布

圖10?x-y截面(z＝1.69mm)WGSR反應(yīng)速率分布

圖11?x-y截面(z＝1.69mm)MC反應(yīng)速率分布

3.4?積碳活性分布

圖12所示為工作電壓0.6V，陽極支撐層中間截面處不同水碳比的積碳活性分布．從圖可以發(fā)現(xiàn)，兩種進(jìn)氣方式下積碳活性均在＝0mm處(燃料入口端)附近達(dá)到最大值，隨后沿著軸正方向逐漸減小．這是由于＝0mm處的CH4濃度最高，有助于甲烷裂解反應(yīng)向正方向移動[8]，但總體上，兩種進(jìn)氣方式的碳活性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1．另外可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)小水碳比后高積碳活性區(qū)域從燃料入口處擴(kuò)大至SOFC中部，且積碳活性最大值也隨之增大．說明合理提高水碳比可以有效防止熱力學(xué)積碳，但水碳比不宜過高，因?yàn)楦弑壤魵鈺斐蒒i基失活，影響電池性能，降低系統(tǒng)效率[28]．

3.5?熱應(yīng)力分布

第一主應(yīng)力適用于陶瓷、金屬體系的分析，且第一主應(yīng)力能夠區(qū)分出最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力(忽略垂直于平面方向的剪切應(yīng)力)，故本文主要對比第一主應(yīng)力，正、負(fù)值分別代表拉應(yīng)力、壓應(yīng)力[18]．圖13所示為工作電壓0.6V，順、逆流方式下第一主應(yīng)力分布.從圖可以發(fā)現(xiàn)，順流方式下，SOFC整體的第一主應(yīng)力變化范圍－24.4～299.2 MPa大于逆流方式的第一主應(yīng)力變化范圍－23.9～296.9MPa；在-截面(＝20mm)處多孔陽極支撐層受到的拉伸應(yīng)力最小，且受下連接件約束作用，連接件所對應(yīng)的陽極支撐層受壓縮應(yīng)力；陽極支撐層在厚度方向存在應(yīng)力梯度，另外由于幾何、材料的不連續(xù)性，導(dǎo)致了相鄰組件接觸的邊角區(qū)域的出現(xiàn)應(yīng)力極值．

圖12　　x-y截面(z＝1.69mm)處不同水碳比的積碳活性?分布

圖13?第一主應(yīng)力分布

圖14所示為順流、逆流方式下各組件第一主應(yīng)力的最大值分布．從圖可以發(fā)現(xiàn)，兩種進(jìn)氣方式下，陰極支撐層的拉伸應(yīng)力最大，陽極活化層拉伸應(yīng)力最??；從電解質(zhì)層到陰極活化層出現(xiàn)了應(yīng)力突變，其值從32MPa驟升至294MPa．一是因?yàn)殡娊赓|(zhì)的熱膨脹系數(shù)在所有組件中最低且楊氏模量最大，對外界的作用較敏感；二是因?yàn)殡娊赓|(zhì)與陰極材料性能不連續(xù)，加上陰極較薄，熱膨脹系數(shù)較高，陰極側(cè)的拉伸應(yīng)力最大，導(dǎo)致電解質(zhì)與陰極活化層出現(xiàn)應(yīng)力突變．

圖14?各組件第一主應(yīng)力最大值分布

4?結(jié)?論

通過3D多物理場全耦合模擬，討論分析了碳?xì)淙剂蟂OFC在順流、逆流兩種進(jìn)氣方式下，SOFC內(nèi)部的溫度、氣體組分、化學(xué)反應(yīng)速率、積碳活性、熱應(yīng)力的分布規(guī)律．得到了以下結(jié)論：

(1) SOFC內(nèi)的溫度場分布受工作電壓與氣體流向配置的影響．工作電壓越低，溫度越高；同電壓下，逆流方式電池內(nèi)的最大溫差低于順流方式．

(2) 氣體流向配置通過影響相同位置氣體組分的分布規(guī)律來改變SOFC內(nèi)部反應(yīng)速率．典型工況下，在-截面(＝20mm)處，順流方式的CH4摩爾分?jǐn)?shù)消耗量大于逆流，且截面處濃度梯度也大于逆流；順流方式的反應(yīng)速率分布的更加均勻；甲烷裂解反應(yīng)受到抑制，積碳活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1．

(3) 氣體流向配置對SOFC的熱應(yīng)力分布的影響較?。湫凸r下，順流方式的熱應(yīng)力稍大于逆流；陰極支撐層的拉伸應(yīng)力最大，陽極活化層的拉伸應(yīng)力最小；從電解質(zhì)層到陰極活化層出現(xiàn)了應(yīng)力突變，其值從32MPa驟升至294MPa，另外應(yīng)力極值往往出現(xiàn)在與其他組件接觸的邊角區(qū)域．

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Multi-Field Coupling Model and Thermal Stress Analysis of Solid Oxide Fuel Cell with Hydrocarbon as Fuel

Cai Weiqiang1, 2，Yuan Jinliang3，Zheng Qingrong1, 2，Yin Zibin1, 2，Pei Yuyao1，Zhang Zhonggang1, 2

(1. Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China；2. Fujian Provincial KeyLaboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering，Xiamen 361021，China；3. Faculty of Maritime and Transportation，Ningbo University，Ningbo 315832，China)

In order to study the complex multi-physical field transfer process in a nickel-based anode solid oxide fuel cell(SOFC)fueled by hydrocarbon fuel，a three-dimensional model based on the finite element method was established，which can be used in both the co-flow and counter-flow situation. The coupling characteristics of electrode chemical reaction，multi-component mass transfer and heat transfer process under typical operating conditions were analyzed，and the thermal stress distribution was also given. The results show that the temperature distribution in the SOFC is strongly affected by the operating voltage，and under the same voltage，the maximum temperature difference in the cell of the counter-flow is lower than that of the co-flow. The flow arrangements will affect the internal chemical reaction rate of the SOFC，and the reaction rate distribution in the co-flow is more even. The methane cracking reaction is inhibited，the maximum reaction rate is only 9.97×10-4mol/(m3·s)，and the carbon deposition activity is far smaller than 1. From the electrolyte layer to the cathode layer，there will be a sharp change in stress，and the stress value rises from 32MPa to 294MPa.

hydrocarbon fuel；solid oxide fuel cell；chemical reaction kinetics；solid mechanics；numerical analysis

TK91

A

1006-8740(2023)02-0243-10

10.11715/rskxjs.R202201003

2022-03-04.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51979121)；福建省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2020J02041)；福建省重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2020H0019)；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2022J01807).

蔡偉強(qiáng)（1997—??），男，碩士研究生，caiweiqiang0820@163.com.

張中剛，男，博士，副教授，zhgang0530@163.com.

(責(zé)任編輯：梁?霞)