碱性水电解槽能够通过电化学分解水制取零碳排放的氢气。虽然这一工艺可以通过制取清洁氢能来帮助降低全球碳含量，但氢能的成本仍将高于化石燃料。为了最大限度地降低氢能制取的成本，尽可能地提高电解槽的运行效率，以及尽可能长时间持续地运行电解槽至关重要。限制电解槽堆运行效率和使用寿命的一个因素就是寄生分流。这篇博客，我们将探讨如何通过模拟碱性电解槽堆，来更好地了解其运行过程中可能产生的寄生分流。
通过碱性电解槽制取清洁氢能
水电解槽与可再生能源电力配合使用时，可实现完全零碳排放，制取出 “绿色”氢能。碱性水电解槽占全球绝大部分的水电解槽装机容量，通常由许多重复的阳极、隔膜和阴极电池组成，这些电池共同构成一个电解槽堆。在碱性水电解槽堆中，所有电池都享用相同的电解质。
由于所有电池都处于离子接触状态，寄生分流在电池之间通过歧管和电解质通道在入口和出口侧流动。这些寄生分电流会降低能效并导致腐蚀。仿真能够将典型碱性水电解槽堆中的这些分流可视化，揭示电解槽设计的优势和局限性。
包含 20 个独立电池的碱性电解槽堆模型。
探索碱性水电解槽模型
碱性水电解槽堆中的分流模型是使用 COMSOL Multiphysics® 软件平台的附加产品燃料电池和电解槽模块建立的。为了与实际中常用的材料相匹配，示例模型采用了钢制端板和双极板，以及 6M 氢氧化钾 (KOH) 电解质。使用 Butler-Volmer 动力学表达式模拟电极表面，考虑电极和电解质中的欧姆损耗，并忽略气相质量传输限制。建立的模型为等温模型，将电解槽堆工作温度设置为 85°C，通过辅助扫描将电池平均电压从 1.3 V 扫描至 1.8 V，求解模型方程。电化学分解水的过程包括两个独立的半电池反应：阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。
重复的单个电池。在 x 方向缩放 10 倍。
虽然燃料电池和电解槽的许多性能特征可以通过单个电池来了解，但在某些情况下，完整的电解槽堆模型是全面了解其性能的唯一方法，文中示例就是其中一种情况，因为电解槽堆中的各个电池的分流分布各不相同。本例中的电解槽堆模型由 20 个电池单元组成，可用于深入研究分流对整体设计的潜在影响。
仿真结果
仿真结果显示，由于气体含量相对较高，出口（上部）通道的有效电解质电导率较低，因此出口通道的分流低于进口通道。还可以看到，分流在电解槽末端更为明显，并且电解槽电压越高，分流越大。
平均电池电压为 1.8 V 时，电池堆中的电解质电位，以及相应的进出口通道和歧管中的电解质电流流线。
定义碱性水电解槽能效的方法有很多种。在示例模型中，我们根据所产生氢气的吉布斯自由能来衡量能效，并将能效定义为：在相同条件下运行的燃料电池可能产生的最大能量（单位时间）除以在电解槽堆中产生氢气所需的电能。模型显示，由于库仑效率不断提高，能效先在 1400 A 左右达到最大值，1400 A 后，由于电解槽电压在更大电流下不断升高，能量效率又有所下降。
动手尝试
想自己动手模拟碱性水电解槽模型吗？COMSOL应用库中提供了相关的 MPH 文件和详细的分步说明，欢迎下载。
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