地球上的清洁氢大多数由碱性水电解槽生产。建模和仿真能够帮助设计人员洞察其中涉及的各种电化学和传输现象、设计和运行参数，更好地理解这些电解槽。这篇博客，我们将通过一个碱性水电解槽装置的示例模型，重点介绍如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件研究电解槽蕴含的多物理场现象，包括电流与温度分布。
绿氢在工业中的应用
碱性水电解槽是清洁氢或“绿氢”生产中最常见的装置，这主要得益于其生产设备简单并且稳定、电解质无腐蚀性以及材料价格低于其他电解槽，从而使得规模易于扩大。此外，这种装置能容许的进水杂质范围更加广泛，进一步增加了其应用。
然而，在氢能产业中，虽然电解槽是目前绿氢生产的首选方式，但与其他可持续性较低的氢能相比，绿氢仅占全部氢气产量的不到1%。通过水电解法生产氢气的产量相对较低的原因是，水电解法的投资和运营成本比蒸汽甲烷重整工艺更高。运行成本在很大程度上取决于电力成本，这意味着在一些电力成本较低的国家，电解法是一种更具竞争力的技术。如果更多地利用该技术，投资成本可以随着氢产量的增加而降低。建模和仿真可用于研究、优化设计和操作条件，帮助降低工艺中的电能消耗。此外，建模和仿真还可以减少建立实验室原型、中试和全尺度模拟的需求，从而降低开发成本，并降低最终的总投资成本。
零间隙模型探讨
我们即将讨论的两相非等温零间隙碱性水电解槽模型是使用 COMSOL Multiphysics 的附加产品燃料电池和电解槽模块建立的，您可在附加的案例库中找到。该模型的目标是研究电解槽中的电流和温度分布如何受电解质中气泡分布的影响。
该几何模型定义了一个电解槽堆的几何单元，它包含两个电解槽，其中两个电解槽被波纹双极钢板隔开，沿通道方向延伸 10 cm。模型采用6 M 氢氧化钾（KOH）作为电解质，将多孔气体扩散电极（GDE）设置为紧贴电解槽隔膜。(有关建模的详细介绍，请参阅模型文档，您可以点击文末链接，访问并下载该文档）。
左图：碱性水电解槽模型电池单元的横截面。右图：对该横截面进行拉伸和镜像处理，可以看到该几何图形如何表示电解槽堆的电池单元。沿垂直方向堆叠电池单元将形成一个电解槽堆。
可以使用周期条件在垂直方向上重复该几何单元，并可以利用对称性条件在水平方向上对其进行镜像处理，如上图所示。几何单元中有三个隔膜域：一个位于电池中间，一个位于底部，一个位于顶部。顶部和底部隔膜的厚度是中间隔膜的一半；堆叠导致中间隔膜的厚度为完整的厚度。波纹双极板分别隔开氧气和氢气的气电解质通道，并将氧电极、隔膜和氢电极压在波纹板的窄表面之间。氧电极和氢电极均为多孔气体扩散电极，这意味着电化学反应发生在电极厚度方向，具体取决于电极动力学和孔隙电解质电导率。
设计的目标是避免气体夹带在多孔气体扩散电极内部，以使电极表面产生的气体尽快从电极和隔膜中逸出。由于气泡会遮挡电极表面，因此在产生气泡后应尽快将其排出，使电极表面可通过电流，并降低活化过电位（较低的电损耗）。此外，滞留在电极内部和电极与隔膜之间的气泡还会降低电导率和阻碍电解液的流动，进一步增加欧姆过电势和浓度过电势（即增加能耗）。在模型中，气泡遮挡电极表面和电解质浓度的变化（假定恒定）都没有被考虑在内。因此，剩下的影响就是气泡会降低多孔气体扩散电极中孔隙电解质的电导率，从而增加电极过电位。
模拟结果
通过求解模型方程，我们可以从多个角度了解氢气和氧气的生产过程。例如，可以针对以下四种效应绘制不同的曲线图，以更好地了解不同操作条件和设计的影响：
- 电解质通道中的气体体积分数
- 电极孔隙电解质中的气体体积分数
- 隔膜中的电流密度分布
- 电池中的温度分布
在下图中，电池电压为 2.1 V，平均电流密度约为 4.2 A/cm2 。
上左图：气体和电解质通道中的气体体积分数。上右图：氢气和氧气多孔气体扩散电极中的气体含量。下左图：隔膜中的电流密度。下右图：温度分布。
气体体积分数图（上左）显示了流道中的气体含量，可以看到，氢气流道中的气体含量较高，因为在电解过程中每产生一个氧分子就会产生两个氢分子（每个氢分子产生两个电子，每个氧分子产生四个电子）。与预期的情况一样，从入口到出口，通道中的气体含量不断增加。
在多孔气体扩散电极的气体含量图中，可以看到，气体被截留在双极板和隔膜之间的区域，而在多孔气体扩散电极面向流道的部分被有效地排出。这意味着，我们可以考虑将波纹双极板做得更窄，沿宽度方向增加波纹，以缩短通向流道的路径，从而使气体能够离开电池。
电流密度图（左下）反映了多孔气体扩散电极中的气体含量。可以看到，对应于流道位置的电流密度较高，而这些位置的多孔气体扩散电极中的气体含量较低。多孔气体扩散电极中的滞留气体会降低孔隙电解质的电导率，导致电流密度降低。但这种影响很小。模型既没有考虑气泡阻塞活性位点的影响，也没有考虑电解质的供给。如果考虑到这些影响，电流密度分布将更加不均匀。
温度图（下右）显示，温度从入口到出口沿流动方向逐渐升高。此外，由于隔膜和孔隙电解质（导电性差）中的焦耳热较高，以及多孔气体扩散电极和隔膜的散热较差，多孔气体扩散电极和隔膜中的温度也较高。
上述仿真结果展示了工程师和科学家可以在COMSOL中进行哪些模拟，来更好地了解不同几何参数和工作条件将如何影响电池的性能。文中介绍的模型还可以进一步扩展，以考虑气泡遮挡电极表面和电解质组分的影响。
动手尝试
想亲自动手模拟碱性水电解槽的模型吗？COMSOL案例库中提供了相关的MPH 文件和分步说明，欢迎下载。
扩展阅读
这篇博客，我们重点介绍了一种零间隙碱性水电解槽装置，但这仅是氢能生产的一种应用。欢迎阅读 COMSOL 博客，探索更多关于氢能生产及利用的仿真实例：
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