摘要
可逆固体氧化物电池（rSOC）可以在电解池（SOEC）和燃料电池（SOFC）两种模式下灵活高效运行，为解决可再生能源电力消纳难题提供了一种“波动电-燃料-稳定电/化工产品”的新路径。高温环境使得rSOC内部多物理场耦合特性对工况参数高度敏感性、运行参数监测难度大。为促进rSOC从实验室尺度向与新能源耦合的工业化应用方向发展，本文开展了rSOC系统的动态模拟研究。 首先，本文针对“波动电-氢气-稳定电”路径（PHPS）的rSOC系统提出了水蒸气作为电解池阳极吹扫气的优化方案，搭建了耦合热-流-电-化物理场的动态模型，采用真实的光伏波动电作为SOEC输入，对比了优化系统与传统系统的动态特性。结果表明：与相同运行工况（rSOC运行温度为1073K）的传统系统相比，优化系统的产氢气量从0.029Nm3增大至0.064Nm3，峰值产氢气速率增大至2.1倍，水的峰值转化率增大至2.4倍；SOFC发电功率从10.6W增大至20.3W。基于入口温度、流量的改变，优化系统的往返电效率升高为传统系统的1.1~2倍。 针对氢气储存成本高的问题，本文进一步搭建了“波动电-甲醇-稳定电”（PMPS）路径的rSOC系统模型，结合多物理场分析与系统流程模拟，探究波动电输入下各组件运行参数的传递关系。结果表明：降低SOEC阴极流量有利于电解反应与甲醇合成反应间的速率匹配，避免合成器中流量过载而产率下降。SOEC入口温度由973K提升至1073K,甲醇产量提升了2.3倍。增大SOEC入口CO2摩尔分数有助于平抑SOEC在时间、空间尺度上的温度波动，但较低的CO2摩尔分数有利于保证甲醇合成器中的氢气供应、提升甲醇产量。当CO2浓度由60%降到30%时甲醇产量从6.87g增大至11.32g，合成器出口平均循环流量降低38%。上游SOEC、甲醇合成器产生的燃料总量约束下游SOFC发电时间，降低阳极燃料流量可显著延长发电时间，增大总体发电量。系统优化后的往返电效率达62%，碳原子和氢原子的转化率分别达97%和84%。 最后，本文全面对比了PHPS与PMPS两种路径的rSOC系统能量转换特性及技术经济性。相同电压输入下的PHPS的电解速率高于PMPS；入口燃料浓度为100%时，PHPS的发电功率高于PMPS。然而以燃料与水的混合物发电时，两个系统发电性能曲线存在交点，低于该交点电压时，PMPS的浓度极化损失更小、发电功率更高。PMPS燃料合成效率可达PHPS的2.2倍，但发电效率比PHPS低30%；rSOC以1073K运行时，PMPS往返效率可达62%，比PHPS高78%。成本方面，PMPS平准化燃料成本（0.49$/kg）占PHPS的9.4%，平准化发电成本（0.22$/kWh）占PHPS的76%。rSOC的运行和投资为PMPS和PHPS最大支出，此外电力支出是最大的运行成本来源。
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