基于Fluent的水電解槽電場數值模擬

密路祥，徐立軍，胡 兵

(1.新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆工程學院控制工程學院，烏魯木齊 830023)

傳統的化石能源是人類賴以生存和發展的基礎，但化石能源儲量的限制以及對環境的不利影響迫使人們尋求替代能源以保持長期發展。中國作為能源消費大國，更加有必要著手能源結構調整，開發新能源，提高新能源及可再生能源的使用率[1]。基于中國目前的能源現狀以及近年來的政策支持，氫能因其來源多樣、無污染、可再生等特點，成為未來能源的載體。而電解水制氫作為一種應用領域廣、技術日趨成熟、工藝過程簡單的制氫技術，能夠適應如風電等可再生能源電力的波動性和間歇性。并且伴隨近幾年中國可再生能源的飛速發展，所引起的嚴重“棄風、棄光”等問題也亟待解決，因此電解水制氫逐漸成為最近的熱點研究之一[2]。

盡管水電解槽具有效率高、清潔、結構緊湊等優點，但由于設備成本較高，技術不成熟限制了水電解槽大規模應用。如何降低成本，提高電解效率，保持電解槽的長期穩定運行是電解槽研究的首要任務。鄧智宏等[3]針對風電制氫中風電波動引起制氫設備間歇運行特點，通過研究電解槽產氫效率，得出電解槽在運行時的最優工作位置，提出了以制氫效率為基礎的風電制氫系統的容量優化途徑。寧楠[4]研究了風電制氫系統在風電寬功率波動條件下的適應性，并通過改變電解槽內部分物性參數進行對比實驗，得到了在復雜工作環境下保證電解槽安全平穩運作的途徑。國外學者提出對電解槽內部電極表面改性[5]，改進電極材料[6]，添加電極催化劑[7]等，目的是降低電解電壓，提高電解電流，增加反應活性，從而優化電解槽性能。部分學者研究了主要操作因素(溫度、壓力、水流量、濃度)在不同功率負荷水平下的影響，給出了電解槽電壓作為操作因素函數的回歸模型，展示了質子交換膜(proton exchange membrane, PEM)電解槽設計分析的結果[8-10]。基于極化曲線和法拉第效率隨溫度和壓力等不同工作條件下電流密度的變化關系，Hegge等[11]提供了一種用于預測堿性水電解系統電化學行為的半經驗數學模型。電解槽在能源轉化過程中不僅需要降低功率波動對電解槽安全性能與氫氣純度產生的影響，而且需要保證其電解效率。電解槽電場作為內部各物理場形成的基礎，其電流密度直接影響著電解效率，電場分布的質量也對電解槽設備能否穩定運轉產生影響。目前有關質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)的研究眾多，部分研究通過外界供給參數耦合PENMFC單體模型，通過不同參數變化，探究對PEMFC輸出性能的影響[12，13]。部分學者還對PEMFC的進氣方式[14]、電-熱場耦合模擬[15]等進行了研究。但是目前國內有關PEMEC的研究還較少，因此有必要對電解槽進行研究。為探究電解槽內部各結構參數對電場分布的影響以及對電解槽電解效率的影響，現采用SolidWorks軟件對水電解槽單元模型進行建模，并利用有限元軟件ANSYS對電解槽電場分布進行仿真模擬，從而得到電流密度與電壓分布云圖，并對結果進行分析。

1 水電解槽熱力學與電化學分析

電解槽是一種電化學能量轉換器，其單槽結構如圖1所示，它利用電能作用在極板，氧化陽極側流體通道內的水在催化劑層的作用下產生氧氣和質子。當氧氣生成時，氧氣通過陽極側流道離開電解槽，而質子通過質子膜遷移至陰極側催化劑層等區域，電子則通過外部電路循環至陰極側，陰極側發生析氫反應，在陰極側催化劑層催化下產生氫氣，并經擴散層至陰極側流體通道。反應式為

圖1 單槽結構

(1)

(2)

(3)

1.1 可逆電壓

電解過程中水被分解成氫和氧，因為這種水分解時產生了一些能量，同時需要在水分子形成過程中釋放相等能量形成氫氣和氧氣。因此，水電解所需要的最小能量通過吉布斯自由能(ΔG)計算得到。標況下，水電解為氫氣和氧氣的吉布斯自由能計算公式為

ΔG=nFErev

(4)

式(4)中：n為轉移電子物質的量；F為法拉第常數,96 500；Erev為可逆電壓，V。

然而，水電解時會產生一些熵，因此在可逆條件下，焓(ΔH)可以用吉布斯自由能(ΔG)和熱能(ΔS)之和來表示，即

ΔH=ΔG+TΔS

(5)

式(5)中：ΔS為熵的變化值；T為熱力學溫度，K。

由此水電解所需的最小電壓(VTN)計算公式為

(6)

式(6)中：VTN為熱中性電壓，V。

1.2 活化過電位

活化過電位是為分別實現陽極、陰極側發生的析氧、析氫反應時，造成的一些不可逆的電壓損失，其作用是在進行化學反應時驅動電子的運動。陰、陽電極的活化過電位(ηact)利用巴特勒-褔爾默方程估計，即

(7)

(8)

式中：ia為陽極電流密度；ic為陰極電流密度;i0，a為陽極交換電流密度；i0，c為陰極交換電流密度。

(9)

式(9)中:i為陰、陽電極電流密度，A/m；i0為交換電流密度，A/m；z為轉移電子數；R為氣體常數；α為電荷傳遞系數；下角a、c分別為陽極、陰極。

1.3 歐姆損耗

電解槽中，膜電極等部件由于其本身電阻的存在會造成部分電壓的損失。因此，經常用歐姆過電位(ηohm)對該損失進行描述，即

(10)

式(10)中：δ為材料厚度，mm；σ為材料電導率。

膜電導率通計算公式為

σ=(0.005 139λ-0.003 26)×

(11)

式(11)中：λ為膜含水量。

1.4 質量傳輸過電位

質量傳輸過電位是由質量傳輸過程中的對流與擴散引起，并且運輸限制降低了反應物濃度，同時增加了電極與電解質界面中產物的濃度，造成傳質損失，減慢反應速率。故該過電位通常又被稱作擴散過電位(ηdiff)，可以用能斯特方程表示為

(12)

式(12)中:C為膜電極表面氧氣或氫氣的濃度，mol/L；C0為氧氣或氫氣的參考工作濃度，mol/L。

1.5 電解槽總電壓

電解槽總電壓可以表示為可逆電壓、活化過電位、歐姆過電位和擴散過電位的總和，即

V=Vrev+ηact+ηohm+ηdiff

(13)

由于在使用歐姆定律描述歐姆損耗具有一致性，該式也通常用來描述擴散層與催化劑層的電導率。

2 電解槽有限元模型建立

利用有限元軟件ANSYS建立電解槽的仿真模型，通過加載Fluent中自有成熟的Electrolysis模塊對電解反應過程進行模擬。對電解槽模型的電場仿真模擬分為3個步驟：建立有限元模型；對建立的模型加載載荷并求解；得到期望的仿真結果并進行分析。

2.1 建立幾何模型

通過SolidWorks軟件建立電解槽單元三維模型。由于仿真所用電解槽全槽是采用100個完全一樣的單獨電解小室堆棧的方式組成，因此為縮短模型分析計算所耗時間，減小計算量，將該模型簡化為只包含一個電解小室的電解槽。圖2是簡化后的電解槽單元三維模型。表1是模型結構參數。

圖2 水電解單槽三維模型

表1 單槽模型結構參數

2.2 建立有限元模型

將建立的三維模型導入ANSYS軟件。對導入的模型進行材料參數的設置，由于是關于電解槽電場的計算，材料屬性需要已知各種應用材料的電阻率、擴散系數等，參數如表2所示。

表2 模型參數

劃分網格作為有限元模型建立過程中不可或缺的環節之一，網格質量將會直接影響建立的有限元模型計算精度。為建立正確、合理的電解槽有限元模型，采用分步網格劃分方法，首先通過Mesh項目對建立模型進行全局網格劃分控制，再通過插入尺寸控制對模型各邊界部分進行局部劃分控制。最終劃分網格單元數為1 772 820。網格劃分如圖3所示。

圖3 網格劃分

2.3 加載與求解

網格劃分完畢后，對建立的有限元模型通過Fluent進行加載求解。由于進行電解槽電場分析，該模型中所添加載荷應為電流或電壓。電解槽電解所需電能來源可當作一個恒流源，故水電解槽內電場可以認為是一個恒定電流場，并且滿足歐姆定律與電流守恒定律，即

J=σE

(14)

(15)

式中：J為電流密度；E為電場強度；σ為電導率。

電場邊界條件設置如下：①陽極端子表面處施加電壓；②陰極端子表面施加零電位。

采用標量電位法求解電場，公式為

(16)

式(16)中：Ф為電位，V；rP為點P至原點的位置矢量;rQP為點Q至點P的位置矢量；ε0為絕對介電常數，8.854×10-12F/m；qi為點電荷。

通過用戶自定義電流密度，電壓分布等變量，最終得到電流密度分布云圖和電壓分布云圖。

3 結果分析

經過對模型的仿真模擬，得到的電壓分布云圖如圖4所示。由圖4能夠看出電壓的變化集中于膜電極區域，造成這一現象的原因主要是由于陽極電解出的氫離子通過擴散層、催化劑層、膜等區域擴散至陰極，在陰極結合電子形成氫氣。

圖4 電壓分布

仿真計算所得的電解槽對稱面電流密度分布如圖5所示。可以看出，電流密度的變化表現為陰陽極對稱分布，并且在流體通道與電極接觸部分及其附近電流密度最小，但是電極與擴散層接觸區域的電流密度變化強烈，部分區域達到最大值。

圖5 電流密度分布

圖6是仿真得到的氫氣組分分布圖，通過與同一平面內所得到的圖5對比，可以看到在電流密度大的區域周圍，其氫氣質量分數也很大，因此電解產生的氫氣的量隨著通過該處的電流密度的增大而增加，這一現象也符合法拉第定律。驗證了電解槽的電解效率與電流大小成正比的規律。從圖6可以看出氫氣首先是在氣體擴散層產生，再逐漸擴散進陰極流體通道，且電流密度變化也主要集中在擴散層。因此電解槽擴散層區域的電阻率、氣體擴散率對氫氣的產生和輸出也具有一定的影響。

圖6 氫氣質量分數

通過對6組不同電壓輸入的仿真所得到的氫氣質量分數分布如圖7所示。從圖7可以看出，隨著電壓的逐步增加，氫氣質量分數也在逐漸上升；當電壓增加至2.2 V時，氫氣質量分數最大值達到0.12%，但再增加電壓，氫氣質量分數最大值開始呈下降趨勢。由此可見質量分數最大值的分布隨著電壓的增加呈現一種正態分布，此狀態下最佳的電解電壓應控制在2.2 V附近。

圖7 不同電壓下的氫氣質量分數

4 結論

建立了詳細的水電解槽模型，并通過仿真得到了槽內電場分布云圖。通過對仿真計算的分析得出下列結論。

(1)氫氣質量分數的大小與電流密度大小成正比。

(2)氣體產生主要在擴散層區域，再通過流體通道傳輸出去。

(3)為提高電解效率，應當從擴散層材料、大小進行改進。

(4)為降低產氫損耗，改進流體通道與擴散層等區域的接觸方式。

(5)氫氣質量分數最大值隨著電解電壓增加呈正態分布，最佳電解電壓應當控制在2.2 V附近。

研究是基于軟件中成熟的單相流多組分運輸模塊，為未來對水電解制氫電解槽內復雜流場運用多相流VOF模型探求電解槽電場分布奠定基礎，同時未來開展相關的實驗與模擬所得結果進行相互驗證。