Моделирование двухфазного течения в электролизёре с полимерным электролитом

Переход на возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечное излучение, позволит снизить мировое потребление ископаемого топлива и избавиться от углеводородной зависимости. Энергию возобновляемых источников нужно эффективно извлекать и доставлять в удобной форме потребителям. Один из перспективных методов хранения и транспортировки энергии связан с самым распространённым элементом во Вселенной — водородом. Газообразный водород можно получать из воды с помощью электролизёров, которые преобразуют электрическую энергию в химическую. COMSOL Multiphysics® позволяет моделировать работу электролизёров различных типов, в том числе с твёрдым полимерным электролитом. Моделирование помогает проанализировать работу электролизёра, чтобы повысить его эффективность. Высокая эффективность электролизёров в итоге приведёт к тому, что водород как энергоноситель станет конкурентоспособной альтернативой электрическим батареям и жидкому ископаемому топливу.

Проблемы ветряной и солнечной энергетики

Возобновляемые источники энергии дают нам возможность снизить потребление углеводородов в экономике, но использование таких источников энергии, как ветер и солнце, связано с определёнными трудностями. Генерацию энергии от ветряных и солнечных источников крайне сложно синхронизировать с потребительским спросом. Кроме того, оптимальные места для установки ветряных турбин и солнечных батарей часто находятся в отдалённых районах с ограниченной пропускной способностью электрических сетей. В этих условиях усовершенствованные системы хранения и транспортировки энергии становятся жизненно важным дополнением генерирующих систем.

Электрические батареи — привычный способ хранения энергии, но добыча металлов, используемых в батареях, наносит вред экологии, то же касается и утилизация старых батарей. Хотя сейчас ведутся активные исследования по усовершенствованию конструкции батарей, огромные масштабы будущего спроса на накопители энергии означают, что необходимо использовать и другие подходы.

Потенциал водородных аккумуляторов энергии

Часть проблем децентрализованного производства энергии от возобновляемых источников можно решить с помощью водородной системы хранения энергии на основе электролиза. Избыток электроэнергии расходуется на электролиз воды и получение водорода. (Подробнее об этом процессе ниже.) Затем водород аккумулируется и доставляется потребителю в баллонах или по трубопроводу. Электролитический водород также применяется в промышленности, например, при производстве «зелёной стали».

Хотя описанный подход показал многообещающие результаты в ходе испытаний, электролитический водород пока не нашёл полномасштабного применения в коммунальном секторе. Одним из серьёзных препятствий для внедрения этих технологий является высокая стоимость электролизёров.

Получение водорода из воды с помощью электролизёров с полимерным электролитом

Электрохимическая ячейка электролизёра состоит из двух электродных камер, разделённых полимерной мембраной. Вода циркулирует в анодной камере. В результате электролиза молекулы воды расщепляются на кислород и водород. Водород проходит через полимерную мембрану и аккумулируется в катодной камере.

Схема работы электролизёра. Изображение: Davidlfritz — Photoshop. Лицензия CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Этот способ электролиза имеет ряд важных преимуществ, которые перечислены в отчёте Compendium of Hydrogen Energy за 2015 год. Электролизёры с полимерной мембраной отличаются от других типов электролизёров:

• компактностью
• универсальностью
• простотой управления
• устойчивостью к переменным электрическим нагрузкам
• способностью работать при высоких давлениях

Несмотря на перечисленные преимущества, электролизёры с полимерной мембраной до сих пор не получили широкого распространения, в основном из-за высокой первоначальной стоимости. В этих устройствах в качестве катализаторов используются иридий и платина. Хотя используемое количество этих катализаторов очень мало по сравнению с тем, которое задействовано в батареях, тем не менее иридий и платина — одни из самых редких металлов на Земле. Их высокая стоимость делает экономически нецелесообразным применение электролизёров с полимерной мембраной. Иридий дорог и подвержен деградации в процессе эксплуатации. Поэтому повышение долговечности и эффективности иридиевого катализатора является важным направлением исследований в этой области.

Моделирование двухфазного течения для повышения эффективности преобразования

Модуль «Топливные ячейки и электролизёры» содержит инструменты, необходимые для моделирования работы электролизёров. Эти инструменты, среди прочего, позволяют моделировать течение двухфазной среды в анодной камере, а значит мы сможем проанализировать процесс электролиза в присутствии иридия. Мы коротко обсудим расчётную модель и некоторые интересные результаты, полученные с её помощью, однако если вы хотите сразу перейти к пошаговому руководству по построению модели, то можете скачать его по ссылке: Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzer.

Геометрическая модель электролизёра с полимерной электролитической мембраной.

Результаты моделирования показывают, что в выходном сечении электродных каналов, расположенных в центральной части устройства, объёмная доля газа приближается к 100%. В то же время, в крайнем правом углу системы газа образовалось намного меньше. Молекулы воды, проходящей по каналам электролизёра, высвобождают протоны, которые участвуют в реакции восстановления на катоде электролизёра. В «красной зоне», где почти не осталось жидкой воды, эффект от иридия крайне мал. Это означает, что можно изменить геометрию электролизёра так, чтобы повысить эффективность использования каталитического материала.

Синий цвет соответствует области, занятой жидкой фазой, а красный — области образования кислорода в процессе работы электролизёра с полимерной мембраной.

Моделирование позволяет найти, какие потенциальные улучшения конструкции электролизёра сделают это устройство более эффективным, а водородную энергетику — более конкурентноспособной.

Дальнейшие шаги

Попробуйте поработать с моделью двухфазного течения в электролизёре с полимерной мембраной самостоятельно, нажав на кнопку ниже: