仿真计算碱性电解槽堆中的分流

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作者Joseph Carew

2024年 5月 30日

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。

由20 个独立的电池构成的碱性电解槽堆模型。
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。

带注释的单个电池单元的模型几何结构。
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。

碱性电解槽堆模型,用绿色和紫色箭头显示电解质电位。

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。


评论 (2)

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东亚 程
东亚 程
2024-08-09

您好!请问下这个案例中的电能—氢库伦效率的计算公式中的分子是总析氢电流还是总析氢电流密度,它又是代表什么意思,能量效率计算公式中的分子是相同条件运行下的燃料电池的堆电流和堆电压吗?

yongchao wang
yongchao wang
2024-08-12 COMSOL 员工

库伦效率公式分子是总析氢电流,分母表示没有寄生电流时理论的析氢总电流;能量效率公式分子中表示单小室的电压乘以流过每个单小室的电流之和(此处假设每个单小室电压相同),表示其有效的能量,分母为电堆电压及电流,代表输入系统的总能量。

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