模拟聚合物电解质膜(PEM)电解槽中的两相流

为了减少对化石燃料的依赖，全球必须向风能和太阳能等可再生能源转型，同时必须将这些可再生能源输送到最需要的地方。氢是宇宙中含量最丰富的元素，通过有效存储和运输氢能有望解决这一问题。聚合物电解质膜（PEM）电解槽是一种通过电解水制取氢气的装置，提升 PEM 电解槽的效率有助于实现氢能替代电池和液态化石燃料。借助 COMSOL Multiphysics^® 仿真软件，您可以模拟 PEM 电解槽的运行机理，深入探究和优化电解槽设计，提高电解槽性能。

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迈向低碳型经济，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之间的需求难以平衡。此外，安装风力涡轮机和太阳能电池板的最佳位置常位于电网容量有限的偏远地区，能源存储和运输困难。提高能源的储存和运输是扩大可再生能源生产的重要条件。

电池是人们熟知的一种储能方式，但电池开采中使用的金属会危害环境，并且废旧电池的处理也是一个问题。虽然人们在不断深入研究如何优化电池设计，但未来巨大的能源储存需求仍需要考虑其他的方法。

氢储能的应用前景

基于电解氢的储能系统可以帮助解决输送风能和太阳能的难题。通过发电设施为电解槽提供电能，然后利用电能从水中分离氢气（这个过程我们将在下文中详细解释）。氢气被捕获、储存，并通过管道或存储罐被输送到需要的地方。电解氢也被用于如“绿色钢铁”生产等工业应用中。

虽然测试结果显示这种方法应用前景广阔，但是公用事业部门尚未计划大规模发展氢电解工艺。一个巨大的阻碍是生产电解槽的成本。

使用 PEM 电解槽从水中提取氢气

PEM 电解槽装置有两个电极室，中间隔着一层聚合物膜。液态水在阳极侧循环流动。在电解作用下，一些水分子在阳极分解成氧气和质子，质子穿过聚合物膜并在阴极还原为氢气，聚集在阴极侧。

电解槽的工作机理。图片来自 Davidlfritz — Photoshop。通过Wikimedia Commons 获得许可（CC BY-SA 3.0)。

据 2015 年氢能纲要报告 报道，这种电解方法有很大的优势。相较于其他类型的电解槽，PEM 电解槽：

• 小巧
• 灵活
• 易操作
• 能够耐受不同的载荷
• 能够在高压条件下运行

尽管应用前景广阔，但 PEM 电解槽还没有被广泛采用，主要是由于其高昂的成本。需要在装置的阳极使用铱，在阴极使用铂，才能进行催化作用。虽然氢电解槽使用的金属量与电池中使用的相比非常少，但铱和铂是稀有金属。获取这些金属需要的成本极高，这意味着 PEM 电解在经济上还行不通。尤其是铱，既昂贵又会在操作过程中降解。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。

通过模拟两相流最大程度地提高转换效率

COMSOL 软件附加的燃料电池和电解槽模块提供了模拟 PEM 电解槽的功能。PEM 电解槽多物理场模型能够模拟装置阳极侧的两相流体动力学，帮助研究激活态铱的电解作用。这里，我们将讨论这个模型及其中的一些有趣的结果。如果您想直接查看详细的分步教程，可以在 COMSOL 案例库中下载教学模型：聚合物电解质膜电解槽。

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。理论上，装置中所有的液态水都应该被氧化，释放出质子，用于电解槽阴极侧的还原反应。但与预期相反，大量“红色区域”的铱几乎没有响应，因为在通道中几乎没有液态水可氧化。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 电解槽运行期间，液态水（蓝色）和生成的氧气（红色）的分布。

通过仿真重点研究 PEM 电解槽设计的优化，可以帮助设计人员提高电解槽的工作效率，并有助于实现氢能的输送和利用。

下一步

单击下面的按钮，尝试自己动手模拟 PEM 电解槽中的两相流：