多物理场仿真优化PEM水电解槽运行工况与工作性能
张志银1
何文俊1
胡慧敏1
周富贵1
刘骞2
祁阳2
温昶2
1.湖北省电力规划设计研究院有限公司,湖北武汉 4300402.华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074
摘要：传统的基于试验的水电解制氢过程研究方法受成本、安全性和观测手段等因素限制,难以揭示水电解过程多物理场微观特性和相互作用机制.数值模拟技术将实际物理系统转化为虚拟的数学模型,可实现水电解制氢的过程模拟和行为预测,推动电解槽运行工况优化、结构设计等方面的发展.使用了数值模拟和仿真方法对质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)水电解槽进行研究.为优化电解槽的操作工况,建立了三维PEM电解槽考虑电化学反应、流体流动、传热及两相流的多物理场仿真模型,对电解槽在不同输入电流密度工况下稳态运行时,工作电压、电解效率、氧气分布及温度分布情况进行了模拟计算,量化了电流密度、入口水温、入口水流速等操作工况对电解槽过电位和运行工作电压的影响,对入口水温、入口水流速工况进行了优化计算以降低工作电压,并结合试验对优化工况进行验证.结果表明:增大电流密度引起工作电压升高,低电流密度下(1.0A/cm2),极化损失占主导;高电流密度下(2.0 A/cm2),欧姆和浓差损失的贡献提升.升高温度和增大流速都有助于降低工作电压,升高水温引起极化过电位上升和欧姆过电位下降,浓差过电位基本不变,总过电位下降;增大流速引起浓差过电位下降,极化过电位和欧姆过电位基本稳定,总过电位下降.然而,随着水温与流速的升高,带来的收益也会随之降低.同时调整水温和流速,流速≤0.2 m/s时,工作电压最小值对应的最佳水温为60℃;水流速＞0.2 m/s时,最佳水温为70 ℃.
关键词：可再生能源质子交换膜水电解操作工况优化数值模拟多物理场仿真
分类号：TK91(氢能及其利用)
资助基金：国家重点研发计划(2024YFB006505)中国电力建设股份有限公司科技资助项目(DJ-ZDXM-2023-16)
论文发表日期：2025-08-31
在线出版日期：2025-09-23（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 1-10 )
英文信息