PEM电解槽中两相流的建模

2021年5月18日

为了减少对化石燃料的依赖,世界必须转向可再生能源来源,如风和太阳能。我们还必须向最需要的地方提供能量。一种有希望的能量储存和运输方法涉及宇宙中最丰富的元素:氢气。聚合物电解质膜(PEM)电解槽使用电力从水中提取氢气。使用COMSOLMultiPhySics®软件,您可以模拟PEM电解槽的操作。提高该装置的效率可以帮助将储存的氢成为电池和液体化石燃料的可行替代品。

风能和太阳能发电的挑战

可再生能源发电正在帮助世界向低碳经济发展,但风能和太阳能等能源也带来了挑战。要平衡风能和太阳能的生产与消费者的需求是很困难的。此外,风力涡轮机和太阳能电池板的最佳位置往往是在电网容量有限的偏远地区。这些条件使改进能源储存和运输成为扩大可再生能源生产的重要补充。

电池是一种熟悉的储存能量手段,但是电池中使用的金属可以带来环境成本,并且旧电池的处理也可能是有问题的。虽然密集研究专注于提高电池的设计在美国,未来能源储存需求的巨大规模意味着还需要其他方法。

基于氢的能量储存的潜力

一个基于氢电解的储能系统可以帮助解决分散的风能和太阳能生产的挑战。发电设备可以向现场的电解槽供电,然后电解槽利用这些电能从水中分离氢。(这个过程将在下面详细解释。)氢气会被捕获、储存,然后被运送到任何需要它的地方,在容器中或通过管道。工业应用也需要电解氢,如生产绿钢“。

一个图表,依靠氢能,包括太阳能,风,水电,运输,能源,工业应用等不同部门的图表。

虽然这种方法在测试中显示了承诺,但该实用部门尚未对氢电解过程进行大规模承诺。一个令人生畏的障碍是生产电解器的成本。

用PEM电解槽从水中提取氢

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。电解作用导致一些水分子分裂成氧气和氢气,它们通过薄膜并在阴极一侧积聚。

显示电解槽工作原理的示意图,带有阳极、阴极和膜部件的标签。
电解槽的机制。Davidlfritz的图像 - Photoshop。许可CC BY-SA 3.0通过维基共享

正如2015年所述,这种电解方法提供了重要的好处氢能纲要报告.与其他类型的电解槽相比,PEM电解器是:

  • 袖珍的
  • 灵活的
  • 容易处理
  • 容忍不同的电负载
  • 能够在高压条件下工作

尽管他们承诺,PEM电解器尚未被广泛采用,主要是由于其高初始成本。它们的催化作用需要在阴极侧的器件和铂的阳极侧上的铱。虽然与电池中使用的金属相比,所涉及的数量非常小,但铱和铂金是地球上最稀有的金属。他们的高成本意味着PEM电解尚未经济上可行。特别是铱均既昂贵,在运行期间劣化。因此,提高了耐久性和转换效率阳极侧铱层的研究是PEM电解槽研究的一个重要方向。

模拟两相流动以最大化转换效率

燃料电池和电解槽模块包括用于建模PEM电解器的功能。这种类型的模型使我们能够模拟装置的阳极侧上的两相流体动力学,这可以帮助我们研究其铱的电解作用。我们将在此讨论该模型和一些有趣的结果,但如果您想跳转进入逐步教程模型,您可以在此处找到:聚合物电解质膜电解槽

PEM电解槽模型的几何形状,带有入口和出口标记。
PEM电解槽的模型几何。

模拟结果表明,在靠近装置中心的电极流道末端,气体体积分数接近100%。与此同时,在最右边的通道中发生的气体转换要少得多。从设备中流出的任何液态水都应该被氧化,以释放出可在电解槽阴极一侧还原的质子。相反,在大的“红色区域”里的铱几乎没有作用,因为在那些通道里几乎没有液态水可供它氧化。这表明重新设计电解槽几何形状的潜力,以实现更有效地利用催化材料。

PEM电解柜模型的仿真结果,用红色的蓝色和氧气显示的水分布。
PEM电解槽运行过程中液态水(蓝色)和出现氧气(红色)的分布情况。

通过突出显示PEM电解柜设计的潜在改进,仿真可以帮助设计人员使电解器更高效 - 基于氢的能量分布更加可行。

下一步

点击下面的按钮尝试模拟聚合物电解质膜电解槽中的两相流:


评论(1)

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Sarita Sonavane.
Sarita Sonavane.
7月6日,2021年

氢电解槽或简单的电解器是使用电力将水分解为氢和氧气的组件。它通过电化学反应发生,该反应不需要外部部件或移动部件。根据价值市场研究所增加的研究,全球氢气电解柜市场规模在2020年估计预测在2021年至2027年期间的CAGR左右3%的增长率约为6%。查看更多@https://www.valuemarketreesearch.com/report/hydrogen-电解zer-market.

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