固体氧化物电解槽共电解二氧化碳与水制备合成气的产物调控模拟研究

Simulation Study on Product Regulation of Co-Electrolysis of Carbon Dioxide and Water in Solid Oxide Electrolysis Cell for Synthesis Gas Production

摘要: 通过对二氧化碳进行科学有效的利用是降低温室效应对环境影响的行之有效的方法。将二氧化碳与水一起电解制取合成气是目前较为前沿的研究方向。本文采用COMSOL仿真软件建立固体氧化物电解槽共电解二氧化碳和水模型，在确定电流密度、温度等条件下，分别讨论了进口反应物组成、进口质量流率、流动方向等对共电解产物的影响，结果表明进口反应物组成比例是对产物中氢气与一氧化碳有直接影响，但是由于水汽变换反应的存在，当反应物中的水和二氧化碳比例在4/1左右，产物中氢气和一氧化碳比例才达到3，此时的合成气适合进行甲烷的生产。反应物质量流率决定了整体的反应速率，无法控制单一物质产率，当质量流率过高时，反应物在电解槽内停留时间较短，不利于产物生成。流动方向对产物影响不大，但对电解槽温度分布有较大影响。

Abstract: Scientific and effective utilization of carbon dioxide is an effective method to reduce the impact of greenhouse effect on the environment. The electrolysis of carbon dioxide and water to produce synthesis gas is currently a relatively advanced research direction. This article uses COMSOL simulation software to establish a model for co-electrolysis of carbon dioxide and water in a solid oxide electrolysis cell. Under the conditions of determining current density, temperature, etc., the effects of inlet reactant composition, inlet mass flow rate, flow direction, etc. on the co-electrolysis products are discussed. The results show that the composition ratio of inlet reactants has a direct impact on the hydrogen and carbon monoxide in the products. However, due to the presence of water vapor shift reaction, when the ratio of water and carbon dioxide in the reactants is around 4/1, the ratio of hydrogen and carbon monoxide in the products reaches 3, and the synthesis gas is suitable for methane production. The mass flow rate of reactants determines the overall reaction rate and cannot control the yield of a single substance. When the mass flow rate is too high, the residence time of reactants in the electrolytic cell is short, which is not conducive to product generation. The flow direction has little effect on the product, but has a significant impact on the temperature distribution of the electrolytic cell.

1. 引言

在温室效应日益严峻的当下，二氧化碳的捕集利用已经成为减少温室气体排放、推进绿色能源转型的关键环节。在此背景下，合成气作为一种重要的化学物质，在甲烷、甲醇、氨等化工产品的合成过程中占据重要地位。固体氧化物电解槽(SOEC)的出现，为二氧化碳的利用提供了一条高效可行的技术路径。通过同时电解二氧化碳和水，SOEC能够直接制备合成气，相较于传统的单独电解方法，共电解具有高能效、高产物纯度的优势，同时也可通过调节操作参数实现合成气成分比例的精准控制进而进一步控制合成气生产不同的化学产品[1]。

在实际工业生产中，合成气中的氢气与一氧化碳(H₂/CO)比例决定了生产的最终产物，例如甲烷合成通常要求较高的H₂/CO比例，而甲醇的生产则相对来说不需要那么高的碳氢比例。因此，如何通过调控SOEC的运行参数，包括温度、流动方向、流速以及进气成分等，来控制产物合成气中H₂与CO的比例，是目前该研究的核心问题。

基于此，本文借助COMSOL多物理场仿真软件，建立SOEC动态模型[2]，研究了多种运行参数对共电解过程及产物合成气组成的影响。在模拟中，改变运行条件以实现对H₂/CO比例的控制，为满足甲烷和甲醇生产的不同需求提供了指导方案，同时为二氧化碳高效利用提供了理论支持与实践指导。本研究旨在推动SOEC技术在二氧化碳资源化利用领域的发展，为实现绿色低碳能源的可持续转型提供科学依据。

2. 理论基础

在目前常见的电解槽中，固体氧化物电解槽相对于质子交换膜电解槽(PEM)、碱性电解槽(AEM)等而言有着较高的能量效率，其综合能效可达到90%~99% [3]，与PEM相比，SOEC不需要使用贵金属催化剂，是用高温来代替贵金属的一些催化特性，所以SOEC可以更容易的与其他产热设备耦合，有着更高的经济性。SOEC还可以与固体氧化物燃料电池(SOFC)互逆运行[4]，具有很高的灵活性。对于共电解H₂O与CO₂制取合成气，SOEC相对于其他电解槽更有优势。

2.1. SOEC共电解反应机理

在SOEC中，H₂O和CO₂同时参与电解，在阴极也就是氢电极表面，H₂O和CO₂同时发生电化学还原反应，生成H₂和CO，同时释放氧离子(O²⁻)：

${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}+{\text{CO}}_2+4{\text{e}}^{-}\to {\text{H}}_2+\text{CO}+2{\text{O}}^{2-}$ (1)

此反应是合成气生成的核心反应。在阳极也就是氧电极表面，O²⁻通过电解质传输到阳极，发生氧化反应生成O₂：

$2{\text{O}}^{2-}\to {\text{O}}_2+4{\text{e}}^{-}$ (2)

总体反应为：

${\text{CO}}_2+{\text{H}}_2\text{O}\to \text{CO}+{\text{H}}_2+{\text{O}}_2$ (3)

氢电极和氧电极的反应共同完成整个CO₂和H₂O的电解。这些反应均在高温下进行，依赖于电解质(通常为氧化钇稳定氧化锆，YSZ)的高效氧离子导电性能。反应主要原理如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of CO₂ and H₂O co-electrolysis

图1. CO₂与H₂O共电解示意图

2.2. 合成气利用的反应路径

合成气具有重要的工业应用价值，控制CO与H₂比例是合理利用合成气的关键，本文主要研究共电解制取合成气，寻求可以影响产物中CO与H₂比例的关键参数，进而可以更高效地利用合成气制取甲烷甲醇等化工产品。合成甲烷需要合成气中H₂与CO比例在3:1左右，反应方程如下[5]：

$\text{CO}+3{\text{H}}_2\to {\text{CH}}_4+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$ (4)

合成甲醇需要合成气中H₂与CO比例在2:1左右，反应方程如下：

$\text{CO}+2{\text{H}}_2\to {\text{CH}}_{\text{3}}\text{OH}$ (5)

不同的碳氢比对应不同的产物，为了定向合成目标化合物，就需要控制好合成气中的气体组成，因此，从源头出发，研究SOEC共电解合理控制产物合成气中碳氢比有着重要意义。

2.3. 水气变换反应

在研究SOEC共电解制取合成气时，水气变换反应(Water-Gas Shift Reaction, WGSR)不可忽视，在电解过程中，生成的CO与H₂在高温环境中很容易与未完全电解的H₂O、CO₂发生反应，反应的主要方程式如下[6]：

$\text{CO}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\iff {\text{CO}}_2+{\text{H}}_2$ (6)

向右是正反应，向左是逆反应，高温条件下正反应更剧烈，生产更多的H₂与CO₂，低温情况下反应倾向于向左。水气变换反应的速率是根据COMSOL内置公式进行计算，公式如下：

$r_{\text{WGSR}}=k_{\text{WGSR}}{\left(\frac{p_A}{p_{ref}}\right)}^2\left(x_{\text{CO}}{x}_{{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}-\exp \left(\frac{{\Delta }_{r}G\left(T\right)}{RT}\right)x_{{\text{CO}}_{\text{2}}}{x}_{{\text{H}}_{\text{2}}}\right)$ (7)

其中，k_WGSR是速率常数，$p_A$ 是反应压力，$p_{ref}$ 是参考压力，取1 Pa，x_CO、$x_{{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}$ 、$x_{{\text{CO}}_{\text{2}}}$ 、$x_{{\text{H}}_{\text{2}}}$ 是这些物质对应的摩尔分数，T是温度，R是气体常数，ΔG是为反应的吉布斯自由能变化值。速率常数计算公式如下：

$k_{\text{WGSR}}=0.0171\times {\text{e}}^{-\frac{103191}{\text{RT}}}$ (8)

3. 建模分析

3.1. 模型建立

由于本文只研究操作条件对产物的影响，不涉及内在微观机理的研究证明，因此本文选用了二维SOEC结构进行研究，简化了模型，提高了计算效率。模型的几何参数如表1所示，选取当前研究中采用较多的氢电极支撑型SOEC结构，这种结构在机械强度、电化学性能等方面有着良好的表现。模型充分考虑了电解槽内部复杂的电化学反应特性，涵盖了气体多孔介质流动、电化学反应及热量传递等多种物理场的相互作用，通过合理的边界条件及参数设定，能够较为真实地反映SOEC实际运行的工作状态，从而为研究共电解过程中的产物生成机制及其调控策略提供了科学依据，具体模型如图2所示。

Table 1. SOEC geometric parameter table

表1. SOEC几何参数表

结构	参数	结构	参数
氧电极厚度	0.1 mm	电解质厚度	0.1 mm
氢电极厚度	0.5 mm	集流体/外壳厚度	0.5 mm
气体流道宽度	1 mm	总长度	20 mm

Figure 2. SOEC 2D structural schematic diagram

图2. SOEC二维结构示意图

3.2. 参数设置

在电极材料方面，选择了目前最常用的钇稳定氧化锆(YSZ)作为电解质和电极材料[7]。YSZ具有优异的离子导电性能，在高温下不分解，也具有优良的稳定性，所以常被用于固体氧化物电解槽中。电解槽的外壳主要采用不锈钢，因为其成本较低，获取较为容易，而且在高温下也能有着不错的机械强度。在COMSOL自带的材料库中已经包含YSZ和不锈钢的材料属性数据，本文就不再过多介绍。其他的参数设置如表2所示。

Table 2. Model working parameter table

表2. 模型工作参数表[8]

项目	参数
工作压力	1 atm
操作电压	1.5 V
电解质体积分数	0.4
氢电极参考交换电流密度	1 A/m^2
氧电极参考交换电流密度	0.8 A/m^2
气体入口温度	1073.15 K
阳极传递系数	0.5
阴极传递系数	0.5
电极活性比表面积	1 × 10^9 m^2/m^3
质量流率	0.005 kg/s
气体孔隙迂曲度	3
气体渗透率	1 × 10^−^9 m^2

3.3. 模拟验证分析

3.3.1. 网格无关性验证

在使用COMSOL进行多物理场模拟时需要对模型进行网格划分，网格数量越多，模拟结果越准确，但计算工作量越大，计算所用时间也会越长。当网格增加到一定数量时，模拟结果的变化将非常小。因此，网格无关性验证是必要的。本文选用共电解产物中CO所占摩尔分数来进行验证。图3显示了当网格数量为1890、2166、2630、3174、4016、5098和6100时的产物中CO占比。

Figure 3. Proportion of CO products corresponding to different grid numbers

图3. 不同网格数对应的产物CO占比

从图3中可以看出，当网格数小于2630时，网格数的变化对产物中CO占比有显著影响，当网格数大于4016时，产物中CO占比变化不大，表明模拟结果随网格数的增加变化趋于稳定。如果网格数量继续增加，模拟结果变化不大而所耗时间将大大增加。因此，本研究是在网格数4016的基础上进行的。最后划分后的网格如图4所示，由于中间电解质层和电极层是进行电化学反应的主要部件，因此网格较为致密。

Figure 4. Model diagram with 4016 grids

图4. 网格数为4016的模型图

3.3.2. 模型验证

在COMSOL中可以在电解槽的阴极气体扩散电极边界加入一个边界探针，并将表达式定义为电极法向平均电流密度，配合施加在阳极气体扩散电极界面的边界电位从1 V到2.5 V进行参数化扫描，通过边界探针来读取电流密度，可以来绘制电解槽极化曲线，如图5。

Figure 5. Comparison between simulation results and experimental data

图5. 模拟结果与实验数据对比

通过对比文献中的实验数据[9]，可以看出本文模拟的极化曲线与实验得到数据相比误差不大，表明本文的模拟结果是准确的。

3.4. 反应速率计算

对于电化学反应来说，反应速率往往与电流密度直接相关。根据法拉第定律，假设某反应需要传递𝑛个电子，其反应速率可以用式(9)表示

$r_{}=\frac{i_{}}{nF}$ (9)

其中𝑟表示反应速率，单位为mol/(m²·s)；𝑛为反应所需的电子数，i为电流密度(A/m²)；F为法拉第常数，约96,485 C/mol。从公式(9)中也可以看出，在计算一个确定的电化学反应的速率时，电子数和法拉第常数都是一个确定的值，反应速率只与电流密度相关，因此，在实际研究中通常也用电流密度来表示电化学反应速率。在COMSOL中，可以利用Butler-Volmer方程来描述电极表面的电化学反应动力学，对于H₂O和CO₂的电流密度可以用以下式子表示[2]：

$i_{0,c,{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}=\frac{{\gamma }_{c,{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}RT}{2F}{\left(\frac{p_{{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}}{p_{ref,{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}}\right)}^m\exp \left(-\frac{E_{act,c}}{RT}\right)$ (10)

$i_{0,c,{\text{CO}}_2}=\frac{{\gamma }_{c,{\text{CO}}_2}RT}{2F}{\left(\frac{p_{{\text{CO}}_{\text{2}}}}{p_{ref,{\text{CO}}_{\text{2}}}}\right)}^m\exp \left(-\frac{E_{act,c}}{RT}\right)$ (11)

式中，$i_{0,c,{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}$ 和$i_{0,c,{\text{CO}}_2}$ 分别代表H₂O和CO₂电解过程的反应速率，${\gamma }_c$ 是可调参数，根据前人的研究工作表明，H₂O电解的速度大约是CO₂电解的2.2倍，因此可以假设${\gamma }_{c,{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}}=2.2{\gamma }_{c,{\text{CO}}_2}$ ，$E_{act}$ 为活化能，P是反应压力，P_ref是参考压力，取1 Pa，T是温度，R是气体常数。

3.5. 能量效率计算

在研究SOEC共电解过程中，能效分析必不可少，不仅有助于提高电解槽的运行效率，确定最佳操作参数，也有利于降低能耗，确保电能利用的最大化，实现高效用电，还有一点需要注意的是，后续如果使用可再生能源为电解槽供电，那能效的高低直接影响系统的环境效益。能量效率主要采用以下式子进行计算：

$\eta =\frac{E_{chem}}{E_{in}}$ (12)

$E_{in}=I\times V\times t$ (13)

$E_{chem}=m_{H_2}\times \Delta H_{H_2}+m_{CO}\times \Delta H_{CO}$ (14)

式中，$\eta$ 表示能效，$E_{chem}$ 表示产品的化学能，$E_{in}$ 表示系统输入的电能。输入电解槽的电能按照式(13)进行计算，式中I代表电流，可以通过电流密度进行计算，单位为A，V表示电解槽工作电压，单位为V，t表示运行时间，单位为s，本文取时间为1小时，即3600 s进行计算。在式(14)中，$m_{H_2}$ 与$m_{CO}$ 分别表示产品合成气中H₂与CO的摩尔数，可以根据公式(9)法拉第定律计算得到对应的摩尔数，$\Delta H$ 表示对应物质的热值。

4. 模拟结果与分析

4.1. 结果分析

4.1.1. 模拟结果

在确定参数，建立模型，合理划分网格后，确立了计算区域，设定操作电压为1.5 V，阴极和阳极气体进口在同侧，阴极入口气体摩尔分数分别为40% CO₂和60% H₂O，阳极入口气体为空气，摩尔组成为21% O₂和79% N₂，设定进口质量流率为0.5 g/s，得到的模拟结果如图6所示。

从图中可以看出，随着共电解的进行，阴极气体H₂O和CO₂的含量在减少，H₂和CO含量在增加，按照电解总反应来看，H₂O电解产生H₂，CO₂电解产生CO，理论上来说是应当基本对应，但是从图中发现CO并未对应，分析其原因，是在电解槽内发生了水气变换反应，电极表面和气体流道内各物质浓度分布不均，电化学竞争剧烈，影响了H₂O-H₂，CO₂-CO这种对应关系。从图中还看出一点，N₂在共电解过程中是不参与任何化学反应，但是其浓度也在变化，这是因为阳极气体中，在阳极表面，氧离子通过电解质传输到阳极，并与外加电流结合生成O₂，其浓度在变化，所以即使N₂不参与反应，但是阳极气体是N₂与O₂的混合，所以N₂浓度会随着O₂的变化而变化，在阳极出口处，O₂浓度达到最大值，对应的N₂相对进口浓度就降低一些。

Figure 6. Mole fraction of each substance

图6. 各物质摩尔分数

根据公式(12)、(13)、(14)可以对电解槽能量效率进行计算。通过计算，当运行时间为1小时，操作电压为1.5 V时，计算得到电能输入为7236 J，再根据公式(14)，计算得到产品中H₂与CO化学能分别为4063.2 J与2323.1 J，在结合公式(12)即可计算得到电解槽能效约为88.2%，符合实际生产中的共电解效率。但是对于进口的反应物设定为理想状态，即800℃，没有将反应物的预处理所消耗的能量计算在内，因此实际能效会比本文计算的能效偏小，由于本文主要研究的是SOEC共电解CO₂与H₂O制备合成气的产物调控机理，考虑到篇幅有限，因此能效方面就不再过多叙述。

4.1.2. 反应速率

在COMSOL中可以绘制电解槽的电流密度分布图，电流密度反应了电化学反应的反应速率，为了保证研究准确性，本文分别绘制了在1.5 V和1 V两种运行工况下的电流密度分布图，如图7所示，图中(a)代表在电压为1.5 V情况下的H₂O与CO₂的电流密度随电极长度分布图，(b)代表了在电压为1 V情况下的电流密度分布图。

图中电流密度的负号仅代表方向，不影响大小，其绝对值代表各物质对应的电流密度的值。从图中可以看出，电压对整个电化学反应有较大影响，施加1.5 V电压情况下，CO₂的电流密度大约在−1.15 A/cm²左右波动，而在1 V电压情况下，CO₂电流密度仅在−0.15 A/cm²左右波动，电压对整个共电解过程有较大影响。从图中还可以看出无论是在1.5 V电压下还是在1 V电压下，图中曲线均在沿电极长度方向呈现一定的波动情况，波动可能与流场分布不均有关，也可能与传质限制或者热量分布有关，局部区域的反应物(H₂O、CO₂)和产物(H₂、CO)浓度分布随位置变化以及高温下微小的温度梯度都会导致电化学动力学存在波动，进而影响到整个电化学反应的反应速率。

再从电流密度的绝对值方面分析，可以直观看出，无论是1.5 V还是1 V电压，在流道的各个位置H₂O的电流密度均大于CO₂，这表明H₂O的反应速率大于CO₂的反应速率，在相同操作条件下，H₂O电解反应占据更大比例。这也与前文的模拟结果相吻合。

Figure 7. Current density distribution map

图7. 电流密度分布图

4.2. 进口物质组成

本文的主要研究重点是SOEC共电解H₂O与CO₂制取合成气，寻找影响合成气中的H₂与CO比例的影响因素。结合电解反应的公式，可以很明显的看出，产物中H₂与CO与进口物质有直接的关系，理论上从水分解和二氧化碳分解反应公式来看，每电解1 mol的H₂O、CO₂就可以产生1 mol的H₂、CO，反应物中的H₂O与CO₂比例似乎就决定了产物中的H₂与CO比例，但是在电解槽中，反应物浓度是随时变化的，电极表面的反应速率遵循法拉第定律，与反应物的局部浓度成正比：H₂O浓度越高，水分解反应的速率越快，生成的H₂越多；CO₂浓度越高，二氧化碳分解反应的速率越快，生成的CO越多。同时，在电解槽中，电解水和二氧化碳是两个化学反应，会存在电化学竞争效应，两者竞争相同的电子(e⁻)和活性位点：当H₂O浓度较高时，更多电子被优先用于水分解反应，导致H₂产量增加；当CO₂浓度较高时，更多电子用于CO₂分解反应，导致CO产量增加。最后，再考虑到水气变换反应的影响，反应物的浓度对产物组成影响就变得扑朔迷离起来。为了探究这一情况，本文考虑了不同的反应物组成，CO₂:H₂O的比例由小到大，质量流率设置为0.05 g/s，电压设为1.5 V，得到的模拟结果如图8所示：

Figure 8. The influence of reactant composition on products

图8. 反应物组成对产物的影响

从图8可以看出，随着原料中CO₂与H₂O的比例逐渐增加，产物中H₂与CO比例也在增加。但是，当H₂O或者CO₂其中的一方占比较小时，对产物的生成带来较大影响，降低了H₂O与CO₂的转化率。主要原因是当反应物中某一种物质浓度过大时，会在反应区域形成局部浓度差，抑制另一个反应物的反应速率。单一反应物的浓度过高也会带来电极的浓度极化问题，会降低电解槽的整体效率。而过多反应物则会增加副反应的概率，如水气变换反应，这也会降低电解槽共电解效率。还有一个原因是传质限制，反应物过剩导致传质阻力增加，如果原料气体中某种组分浓度过高，会在电极表面形成较厚的边界层，限制反应物向电极活性位点的扩散，这会降低反应速率，阻碍产物生成，如水分子过多则会占据电极活性位点，抑制CO₂的吸附和反应，CO₂过多则会干扰水分子的电解。从图中可以看出，当原料中H₂O与CO₂比例在8:2左右，H₂/CO约在3，此时的合成气适合进行甲烷的生产。原料中的CO₂与H₂O组成直接决定了产物合成气中H₂与CO的比例。通过精确控制进口气体的摩尔比，可以为后续甲烷或甲醇的合成提供更适合的反应条件。

4.3. 进口质量流率

进口质量流率是影响SOEC共电解H₂O与CO₂性能的重要参数之一，其决定了进入SOEC的反应物的量以及反应区域内的浓度分布，在入口截面积不变的情况下，质量流率决定了反应物进口流速的大小，质量流率高，则反应物流速快，H₂O与CO₂在电解槽内停留时间短，不利于电解。质量流率低可能导致局部反应产生的热量不能被有效带走，引发电极和电解质的热应力，缩短SOEC寿命。本文考虑了不同的质量流率以及对应的流速，探究在反应物组成CO₂:H₂O为1:1，电压为1.5 V时的产物情况，得到的结果如图9所示：

Figure 9. The impact of mass flow rate on products

图9. 质量流率对产物的影响

从图中可以明显看出，当质量流率低于0.01 g/s时，H₂O与CO₂几乎完全转化为H₂与CO，此时流速为0.32 m/s，随着质量流率增加，产物在逐渐减少，反应物转化率在降低。但是从图中也可以看出，产物中H₂与CO比例没有随着质量流率的改变而发生较大变化，质量流率可以用来改善反应物的转化率，提高产物产率，但是通过改变质量流率来控制反应物中合成气的H₂与CO比例是不可行的。

4.4. 流动方向

之前的讨论中主要展示的结果为顺流流动的结果，即入口在同一侧，流动方向一致，对于逆流流动，即入口在相反一侧，流动方向相反对产物中CO与H₂比例的影响，我们不得而知。为了确定流动方向对产物的影响，将其他参数固定，物质进口流速取0.05 g/s，进口CO₂:H₂O为1:1，工作电压取1.5 V，得到的模拟结果如图10所示：

Figure 10. The influence of flow direction on products

图10. 流动方向对产物的影响

从图10可以看出，流动方向的改变只改变了产物中各物质的浓度分布而对产物的量的影响很小，究其原因是促进电化学反应的推动力是工作电压和交换电流密度，与气体流动关系不大。顺流和逆流只改变了反应物在电解槽气体流道内的运动路径，合成气产物主要受温度、反应物浓度、流速等影响较大。无论顺流还是逆流，电化学反应的基本过程以及电子传递的推动力等并未发生改变，通过改变流动形式来控制产物合成气中H₂与CO的比例是行不通的。

图11直观地展现了顺流和逆流对温度值的改变很小，对温度分布影响较大。顺流会导致高温区域集中在同一侧，发生化学反应的气体在流道内流动，将热量带出电解槽，而顺流会导致气体从同一侧出去，所以热量会在同一侧聚集。逆流是阴阳极气体进出口在相反一侧，出口的携带热量的高温气体会和另一侧入口的气体发生热交换，使得温度分布较为均匀。顺流情况下，热量在一侧聚集会引起电解质或电极材料的热应力，增加破裂风险。因此顺流对材料的需要较高，需要电极材料和外壳能耐高温。而逆流相对来说温度均匀一些，降低了温度梯度，有利于延长SOEC寿命。并且高温出口气体也可以通过换热对低温入口气体进行预热，提高了系统的热效率。但是也需要更精密的换热和控制系统，保证逆流模式下的气体流速和换热效果。对于实验研究或小型SOEC系统，可以选择顺流模式，因其热管理简单且便于控制。对于大规模工业应用，建议采用逆流模式，因其温度分布均匀，有助于提高效率和设备寿命。

Figure 11. The influence of flow direction on temperature

图11. 流动方向对温度的影响

5. 结论与展望

5.1. 结论

本文采用COMSOL多物理场耦合建立SOEC共电解CO₂与H₂O模型，在确定电流密度、温度和操作电压下，分别讨论了进口反应物组成、进口质量流率、流动方向等对共电解产物的影响，结果表明进口反应物组成比例是对产物中H₂与CO有直接影响，由于水汽变换反应的存在，并不是H₂O/CO₂等于H₂/CO。当H₂O/CO₂比例在8/2左右，H₂/CO才达到3，此时的合成气适合进行甲烷的生产。反应物质量流率决定了整体的反应速率，当质量流率过高时，流速也会增加，反应物在电解槽内停留时间较短，不利于产物生成，效率降低。降低质量流率可以增加反应物在电解槽内停留时间，有利于反应进行，但是产物中H₂与CO比例没有随着质量流率的改变而发生较大变化。质量流率可以用来改善反应物的转化率，提高产物产率，但是通过改变质量流率来控制反应物中合成气的H₂与CO比例是不可行的。流动方向对产物影响不大，只改变了电解槽内各物质的浓度分布，并没有改变其量的大小，没有对产物产率产生影响，但是对温度分布有较大影响。对于实验研究或小型SOEC系统，可以选择顺流模式，因其热管理简单且便于控制。对于大规模工业应用，则建议采用逆流模式，因其温度分布均匀，有助于提高效率和经济性。

5.2. 展望

本文通过二维模型分析SOEC共电解影响产物H₂/CO比例的因素，最后的结论是基于数值模拟得到的，因此还存在一定不足需要进一步完善。

(1) 在共电解中，还有一些其他副反应，如CO₂过量导致的积碳反应等，本文为了计算方便暂时忽略了这些副反应对结果的影响，为了使结果更具说服力，建议在模型中添加副反应。

(2) 实践是检验真理的唯一标准，但由于时间问题和实验条件限制，本文只在模拟软件上进行研究，因此建议进一步进行实验研究，与模拟结果互相验证。