Alkalische Wasserelektrolyseure können durch die elektrochemische Spaltung von Wasser emissionsfreien Wasserstoff erzeugen. Dieses Verfahren könnte durch die Produktion von sauberem Wasserstoff zwar dazu beitragen, die globale Kohlenstoffbelastung zu senken, aber der Wasserstoff wird immer noch teurer sein als fossile Energieträger. Um die Kosten für den produzierten Wasserstoff zu minimieren, ist es wichtig, dass die Elektrolyseure so effizient wie möglich betrieben werden und dass der Elektrolyseur so lange wie möglich in Betrieb bleiben kann. Ein Prozess, der die Effizienz und Lebensdauer des Stacks einschränkt, ist das Auftreten von parasitären Shunt-Strömen. In diesem Blog-Beitrag werden wir untersuchen, wie die Modellierung eines alkalischen Elektrolyseur-Stacks ein besseres Verständnis der parasitären Shunt-Ströme ermöglicht, die während des Betriebs entstehen können.
Erzeugung von sauberem Wasserstoff mit alkalischen Elektrolyseuren
Wasserelektrolyseure können in Verbindung mit Strom aus erneuerbaren Ressourcen völlig emissionsfrei sein und „grünen“ Wasserstoff erzeugen. Alkalische Wasserelektrolyseure machen den Großteil der weltweit installierten Wasserelektrolyseur-Kapazität aus und bestehen in der Regel aus vielen sich wiederholenden Zellen aus Anode, Separator und Kathode, die zusammen einen Stapel, einen Stack, bilden. Innerhalb dieses Stapels von alkalischen Wasserelektrolyseuren teilen sich alle Zellen den gleichen Elektrolyten.
Da alle Zellen in Ionenkontakt stehen, können parasitäre Shunt-Ströme zwischen den Zellen durch die Verteiler und die Elektrolytkanäle sowohl auf der Einlass- als auch auf der Auslassseite fließen. Diese parasitären Shunt-Ströme können die Energieeffizienz verringern und Korrosion verursachen. Mithilfe der Modellierung können Shunt-Ströme in einem typischen alkalischen Wasserelektrolyseur-Stack gezeigt und die Stärken und Grenzen des Elektrolyseur-Designs verdeutlicht werden.
Ein Modell eines alkalischen Elektrolyseur-Stacks mit 20 einzelnen Zellen.
Ein alkalisches Wasserelektrolyseur-Modell
Das Modell Shunt Currents in an Alkaline Water Electrolyzer Stack wurde mit dem Fuel Cell & Electrolyzer Module, einem Add-On-Produkt zur COMSOL Multiphysics® Softwareplattform, eingerichtet. Um die gängigen Materialien abzubilden, hat dieses Beispiel Endplatten und Bipolarplatten aus Stahl und einen 6 M Kaliumhydroxid-Elektrolyten (KOH). Die Elektrodenoberflächen werden mit Butler-Volmer-Kinetik-Ausdrücken modelliert. Ohmsche Verluste sowohl in der Elektroden- als auch in der Elektrolytphase werden berücksichtigt, während Beschränkungen des Stofftransports in der Gasphase vernachlässigt werden. Das Modell ist isotherm, wobei der Stack auf 85°C eingestellt ist. Die Modellgleichungen werden mit einem zusätzlichen Sweep gelöst, bei dem die durchschnittliche Zellspannung von 1,3 V auf 1,8 V gesweept wird. Der elektrochemische Wasserspaltungsprozess besteht aus zwei einzelnen Halbzellenreaktionen: der Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Kathode und der Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode.
Sich wiederholende Einheitszelle. Zehnfach skaliert in der x-Richtung.
Obwohl viele Leistungsmerkmale von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren in nur einer einzelnen Zelle verstanden werden können, gibt es Umstände, unter denen ein Stack-Modell der einzige Ansatz für ein vollständiges Verständnis der Leistung ist. Dies ist ein solcher Fall, da die Verteilung der Shunt-Ströme über die Zellen in einem Stapel variiert. Das Stack-Modell in diesem Beispiel besteht aus 20 Zellen und bietet die Möglichkeit, einen tiefen Einblick in die potenziellen Auswirkungen der Shunt-Ströme auf das Gesamtdesign zu erhalten.
Modellierungsergebnisse
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die geringere effektive Elektrolytleitfähigkeit aufgrund eines relativ hohen Gasgehalts in den (oberen) Auslasskanälen zu geringeren Shunt-Strömen für die Auslasskanäle im Vergleich zu den Einlasskanälen führt. Wir können auch sehen, dass die Shunt-Ströme zum Ende des Stacks hin ausgeprägter sind und dass höhere Stack-Spannungen generell zu höheren Shunt-Strömen führen.
Das Elektrolyt-Phasenpotential im Stack und die entsprechenden Elektrolytstromlinien in den Einlass- und Auslasskanälen und Verteilern für eine durchschnittliche Zellspannung von 1,8 V.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Wirkungsgrad eines alkalischen Wasserelektrolyseurs zu definieren. In diesem Beispielmodell stützen wir das Maß für den Wirkungsgrad auf die freie Gibbs-Energie des erzeugten Wasserstoffs und definieren den Wirkungsgrad als die maximal mögliche Energie (pro Zeiteinheit), die in einer unter denselben Bedingungen arbeitenden Brennstoffzelle erzeugt werden könnte, geteilt durch die elektrische Energie, die zur Erzeugung im Stack erforderlich ist. Das Modell zeigt, dass der Wirkungsgrad aufgrund des steigenden Coulomb-Wirkungsgrads zunächst bis zu einem Maximum bei etwa 1400 A ansteigt und dann aufgrund der steigenden Stack-Spannung bei höheren Strömen abnimmt.
Probieren Sie es selbst aus
Möchten Sie diesen alkalischen Wasserelektrolyseur selbst ausprobieren? Die MPH-Datei und eine Schritt-für-Schritt-Anleitung finden Sie in der Application Gallery.
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