Integrated modeling of electrochemical, thermal, and structural behavior in solid oxide electrolysis cells

材料科学 电解 电化学 氧化物 有限元法 机械 热的 计算流体力学 电解槽 传热 变形(气象学) 热力学 复合材料 冶金 电极 电解质 物理 量子力学
作者
Kisung Lim,Youchan Kim,Hassan Salihi,Hyunchul Ju
出处
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer [Elsevier BV]
卷期号:224: 125235-125235 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125235
摘要

A three-dimensional (3-D) computational fluid dynamic (CFD) model for solid oxide electrolysis cells (SOECs) has been developed by rigorously accounting for electrochemical reactions, species, charge, and heat transfer phenomena. The CFD model is linked to a finite element method (FEM) solid mechanics model to simultaneously predict electrochemical and structural behaviors of SOECs. First, the coupled CFD and FEM based SOEC model is applied to a 100 cm2 actual cell geometry and validated against the experimental data measured up to 0.4 A/cm2. The model predictions closely align with the experimental data and further reveal key electrochemical and mechanical characteristics of SOEC operations, showing multi-dimensional contours of species, temperature, current density, stress, and deformation. Specifically, this study highlights the imperative to enhance the mechanical attributes and design structure of SOECs. The need arises from the stresses and deformations attributed to thermal expansion, influenced by both the uniformity of temperature distributions and the operating temperature itself. These considerations are vital across various operational contexts. Such understandings will direct advancements in SOEC technology towards greater efficiency and enhanced longevity.
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