模拟聚合物电解质膜电解槽中的两相流

2021年 5月 18日

为了减少对化石燃料的依赖,全球必须向可再生能源过渡,如风能和太阳能。同时,必须将这些能源输送到最需要的地方。氢是宇宙中最丰富的元素,对氢能进行储存和运输是有望解决这一问题有效方法。聚合物电解质膜 (PEM) 电解槽是一种利用电能从水中提取氢气的设备。使用 COMSOL Multiphysics® 软件,我们可以模拟 PEM 电解槽的运行,提高该装置的运行效率,从而使储存氢成为电池和液体化石燃料的可行替代品。

利用风能和太阳能发电面临的挑战

可再生能源发电正在帮助全球向低碳型经济迈进,但是像风能和太阳能这样的能源,也有其自身的问题。例如,风能和太阳能的生产与消费者的需求很难平衡。此外,风力涡轮机和太阳能电池板的最佳位置通常位于电网容量有限的偏远地区。对能源的储存和运输进行改进,是扩大可再生能源生产的重要补充条件。

电池是人们熟悉的一种能量储存方式,但开采电池中使用的金属会对环境造危害,并且对废旧电池进行处理也可能存在困难。虽然深入研究改进电池设计是一种有用的方式,但未来对能源存储的巨大需求意味着我们还需要考虑其他方法。

储存氢能的潜力

基于电解氢的储能系统可以帮助解决分发风能和太阳能的挑战。发电设施可以为现场的电解槽供电,用于从水中分离氢气,这个过程我们将在下文详细解释。氢气被捕获、储存在罐中或通过管道被运送到需要的地方。工业应用中也需要电解氢,例如生产“绿色钢铁”。

显示依赖氢能的不同部门的图表,包括太阳能、风能、水力、交通、能源、工业应用等。

虽然这种方法在试验测试中呈现出一定的前景,但公用事业部门尚未计划大规模发展氢电解过程。生产电解槽的成本是其巨大的障碍。

使用 PEM 电解槽从水中提取氢气

在 PEM 电解槽中,两个电极室由聚合物膜隔开。液态水在阳极侧循环流动。电解作用导致一些水分子在阳极分解成氧气和质子,质子穿过膜并在阴极还原为氢气聚集在阴极侧。

示意图显示了电解槽的工作原理,标有阳极、阴极和膜部件。
电解槽的机理。图片来自 Davidlfritz — Photoshop。通过Wikimedia Commons 获得许可(CC BY-SA 3.0)。

正如 2015 年氢能纲要报告 中所述,这种电解方法具有很大的优势。与与其他类型的电解槽相比,PEM 电解槽具有以下优点:

  • 小巧
  • 灵活
  • 易操作
  • 耐受变化的负载
  • 能够在高压条件下运行

尽管非常有前景,但 PEM 电解槽尚未被广泛采用,主要是由于其高昂的成本。需要在设备的阳极侧使用铱,在阴极侧使用铂,才能进行催化作用。虽然与电池中使用的金属相比,氢电解槽所使用的金属量非常少,但铱和铂是一些地球上最稀有的金属。获取这些金属需要很高的成本,这意味着 PEM 电解在经济上还行不通。尤其是铱,既昂贵在操作过程中又会退化。因此,提高阳极侧铱层的耐久性和转换效率是 PEM 电解槽研究的重点。

模拟两相流以最大限度地提高转换效率

COMSOL 软件的燃料电池和电解器模块包括可用于模拟 PEM 电解槽的功能。建立这类模型能够模拟设备阳极侧的两相流体动力学,帮助我们研究铱元素对电解的促进作用。这里,我们将讨论这个模型及其一些有趣的结果,如果您想直接进入分步教程模型,可以在 COMSOL 案例库中下载模型教程:聚合物电解质膜电解槽

PEM 电解槽模型的几何形状,带有标记的入口和出口。
PEM 电解槽的模型几何形状。

仿真结果表明,在靠近装置中心的电极流道末端,气体体积分数接近100%。同时,在最右侧的通道中发生的气体转化要少得多。任何从装置中流出的液态水都应该被氧化,以释放可用于在电解槽阴极侧还原的质子。相反,大的“红色区域”中的铱几乎没有影响,因为在这些通道中几乎没有液态水可供它氧化。这表明重新设计电解槽的几何结构,有可能更有效地利用催化材料。

PEM 电解槽模型的模拟结果,水的分布以蓝色显示,氧气以红色显示。
在 PEM 电解槽运行期间液态水(蓝色)和出现的氧气(红色)的分布。

通过仿真研究PEM 电解槽设计的潜改进,可以帮助设计人员提高电解槽的效率,并有助于实现氢基能源的分发和利用。

下一步

单击下面的按钮,尝试模拟 PEM 电解槽中的两相流:


评论 (1)

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玲彬 解
玲彬 解
2022-03-14

GREAT!

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