1、目的

固体氧化物电解池（SOEC）的水蒸气电解是吸热反应，且过电压产生的热量可被再用于吸热反应，因此SOEC具有从电能到化学能的高转换效率，有望用作平衡来自太阳能和风能的电力负荷的大容量蓄电装置¹。特别是在热中性电压²（Vth=ΔH/nF）下的电解中，由于吸热和散热在热力学上是平衡的，因此除了热量再利用之外，还易于抑制温度变化。为了有效利用这些优点，有必要了解SOEC内部的温度分布，但是到目前为止着眼于温度分布的例子很少。

由于SOEC有望用作平衡负荷的蓄电设备，因此了解非定常行为十分重要，但是几乎没有关于这种非定常温度响应的报告例。因此，本研究中进行了数值计算以明确小型圆柱SOEC单电池内的非定常温度响应。

2、数值计算模型

图1（a）示出本次计算中使用的小型圆柱SOEC的二维圆柱模型的概略图和尺寸。电池结构为：水蒸气极（阴极）为Ni+YSZ，电解质为YSZ，空气极（阳极）为LSM+YSZ。图1（b）示出本次计算中假定的气体供应方向和电子负荷方向。假设在LSM+YSZ表面上使用金属集电体，并且在z方向上没有电子电位梯度。本次计算在SOEC内部二维地解决了热传导和物质扩散，并且考虑了在多孔电极表面上的热传输和物质传输。在LSM+YSZ电极表面和假定电炉的等温壁表面之间一维地解决了热辐射问题。

假设流路内的两极都是完全展开的层流，并且在Ni+YSZ极侧，在流动方向上一维地考虑对流。对热量和物质传输进行非定常计算。计算条件为：将平均电流密度从0.0A/cm²（开路）逐步升高到0.4A/cm²，并将等温壁和供气温度设为850℃。通过阳极面积计算平均电流密度。

图1 数值模型

图2 各位置的非定常温度响应

3、结果与考察

图2示出图1（b）所示各位置的温度T1、T2、T3的非定常响应。靠近集电位置的反应区域端的温度T3单调上升，与反应区域相对的温度T1单调下降，圆柱SOEC内部同时发生温度上升和下降。此外，在反应区域中心，温度T2由下降变为上升。

由此可知，在小型圆柱SOEC内部，温度响应根据位置不同而不同，在使用小型圆柱SOEC的水蒸气电解装置的热管理中，需要考虑由位置导致的温度响应的差异。

参考文献：

(1) T. Mutoh, et al., Trans. JSME, Series B, 79, 808(2013-12), 2582-2586.

(2) Z, Wang, et al., Int. J. Hydrogen Energy, 35(2010), 4451-4458.

针对小型圆柱SOEC温度响应的非定常数值计算