مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی سه‌بعدی چندفیزیکی و تحلیل انتقال جرم و واکنش‌های الکتروشیمیایی در یک سلول الکترولیز اکسید جامد با هندسه واقعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد یادگار امام خمینی (ره) شهرری، تهران، ایران
10.48311/mme.2026.123556.83108
چکیده
در این پژوهش یک مدل سه‌بعدی چندفیزیکی برای تحلیل عملکرد یک سلول الکترولیز اکسید جامد با سطح فعال 45 سانتی‌متر مربع و هندسه مبتنی بر یک پلتفرم واقعی توسعه داده شد. مدل، انتقال بار یونی و الکترونی، سینتیک باتلر–ولمر، انتقال جرم چندجزئی ماکسول–استفان و جریان در کانال‌ها و الکترودهای متخلخل را به‌صورت کوپل‌شده در بر می‌گیرد. وجه تمایز این پژوهش، مدل‌سازی سه‌بعدی تمام‌سطح یک سلول با هندسه واقعی، تحلیل هم‌زمان انتقال چندجزئی در دو سمت الکترود و بررسی سازگاری نتایج از طریق موازنه مستقل جریان، گونه‌ها، جرم کل و قانون فارادی است. نتایج نشان داد افزایش چگالی جریان با مصرف بیشتر بخار، تولید بیشتر هیدروژن و غنی‌شدن اکسیژن در سمت مقابل همراه است و هم‌زمان ناهمگنی فضایی سرعت، ترکیب گاز و نرخ واکنش در سطح فعال تشدید می‌شود. میدان‌های سه‌بعدی نشان دادند رفتار موضعی سلول را نمی‌توان تنها از منحنی پلاریزاسیون استنباط کرد. در نقطه مرجع 0.9 A cm⁻²، ولتاژ مدل با داده تجربی حدود 4% اختلاف داشت و موازنه‌های جریان، جرم و گونه‌ها نیز با خطای کمتر از 0.5% بسته شدند. سازگاری ترکیب خروجی با قانون فارادی، قابلیت اتکای چارچوب عددی را برای تحلیل فیزیکی رفتار سه‌بعدی SOEC تأیید کرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Three-Dimensional Multiphysics Modeling and Analysis of Mass Transport and Electrochemical Reactions in a Solid Oxide Electrolysis Cell with Realistic Geometry

نویسنده English

Ghasem Arab
Department of Mechanical Engineering, Yadegar-e-Imam Khomeini (RAH) Shahre Rey Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
چکیده English

A three-dimensional multiphysics model was developed to investigate the coupled transport and electrochemical behavior of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) with a 45 cm² active area and a realistic geometry based on an experimentally established cell configuration. The model simultaneously accounts for ionic and electronic charge transport, Butler–Volmer electrochemical kinetics, multicomponent gas transport using the Maxwell–Stefan formulation, and gas flow through free and porous regions using the Brinkman approach. The main contribution of this study lies in combining full-area three-dimensional modeling of a realistic 45 cm² cell, coupled multicomponent transport on both electrode sides, and independent consistency checks of current, species, and total-mass conservation

with Faraday-law consistency. The results show that increasing current density intensifies steam consumption and hydrogen production on the fuel-electrode side while increasing oxygen enrichment on the oxygen-electrode side. The three-dimensional fields reveal pronounced spatial non-uniformities in gas velocity, species distribution, and electrochemical reaction rate across the active area. At 0.9 A cm⁻², the predicted cell voltage agreed with the reference value within about 4%, while current, species, and total-mass balances showed deviations below 0.5%. Agreement between outlet compositions and Faraday-law predictions further confirms the physical consistency of the model.

کلیدواژه‌ها English

Solid oxide electrolysis cell (SOEC)
Three-dimensional multiphysics modeling
Mass transport
Electrochemical reactions
Hydrogen production

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 23 آبان 1405