在PEM电解液中建模两相流

为了减少我们对化石燃料的依赖，世界必须向可再生能源（如风能和太阳能）过渡。我们还必须将这种能量运送到最需要的地方。一种有前途的储能和运输方法涉及宇宙中最丰富的元素：氢。聚合物电解质膜（PEM）电解仪使用电力从水中提取氢气。使用comsolMultiphysics®软件，您可以模拟PEM电解仪的操作。提高该设备的效率可以帮助使储存的氢成为电池和液体化石燃料的可行替代品。

风力和太阳能发电的挑战

可再生能源的发电正在帮助世界朝着较少的碳密集型经济发展，但是风和太阳能等消息来源带来了自己的挑战。平衡风能和太阳能生产与消费者需求可能很难。同样，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。这些条件使能够改善的能量储存并运输至关重要的补充，以扩大可再生能源生产。

电池是一种熟悉的能源手段，但是挖掘电池中使用的金属可以带来环境成本，并且处置旧电池也可能是有问题的。而密集的研究重点是改进电池设计，大量的未来储能需求意味着还需要其他方法。

基于氢的能量存储的潜力

一个基于氢电解的能量储能系统可以帮助应对分散的风能和太阳能生产的挑战。发电设施可以为现场电解器提供电力，然后将其用于将氢与水分开。（下面对此过程进行了详细说明。）然后将氢捕获，存储并运送到需要的任何地方，在储罐中或通过管道。工业应用也需要电解氢，例如生产“绿色钢“。

尽管这种方法在测试中表现出了希望，但公用事业部门尚未对氢电解过程做出大规模承诺。一个艰巨的障碍是产生电解器的成本。

用PEM电解液从水中提取氢气

在PEM电解室电池中，两个电极室被聚合物膜分离。液态水通过阳极侧循环。电解作用会导致一些水分子分成氧气和氢气，这些气体和氢气通过膜移动并积聚在阴极侧。

电解机的机制。Davidlfritz的图片 - Photoshop。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

这种电解方法提供了重要的好处，如2015年所示氢能纲要报告。与其他类型的电解液相比，PEM电解剂是：

• 袖珍的
• 灵活的
• 容易处理
• 耐电荷载的耐受性
• 能够在高压条件下运行

尽管他们承诺，PEM电解器尚未得到广泛采用，这主要是由于它们的初始成本很高。它们的催化作用需要在设备的阳极侧和阴极侧的铂。与电池中使用的金属相比，涉及的数量非常小，但虹膜和铂是地球上最稀有的金属。它们的高成本意味着PEM电解在经济上尚不可行。尤其是虹膜，在操作过程中既昂贵又可能会退化。因此，提升耐用性和转换效率阳极侧虹膜层是PEM电解层研究的重要重点。

模拟两相流以最大化转换效率

这燃料电池和电解盘模块包括用于建模PEM电解液的功能。这种类型的模型使我们能够模拟设备阳极侧的两相流体动力学，这可以帮助我们研究其支持虹膜的电解作用。我们将在此处讨论该模型及其一些有趣的结果，但是如果您想直接跳入分步教程模型，则可以在这里找到它：聚合物电解质膜电解液。

模型的PEM电解仪的几何形状。

仿真结果表明，在电极流量通道的末端，设备中心附近，气体体积分数接近100％。同时，在最右边的通道中，气体转化率更少。任何退出设备的液体水都应被氧化，以释放可在电解仪的阴极侧还原的质子。相反，大型“红色区域”中的虹膜的影响很小，因为几乎没有液态水可以在这些通道中氧化。这表明重新设计电解层几何形状以实现对催化材料的更有效利用的潜力。

液体水（蓝色）和新出现的氧气（红色）的分布在PEM电解仪操作过程中。

通过强调对PEM电解学设计的潜在改进，模拟可以帮助设计人员使电解机更有效 - 基于氢的能量分布更加可行。

下一步

尝试通过单击下面的按钮来模拟聚合物电解质膜电解仪中的两相流：