关键词：
质子交换膜
水电解
(火用)效率
(火用)经济分析
盈利能力分析
环境分析
流场结构
摘要：
近年来氢能引起了人们的极大关注,因为它是解决全球变暖以及寻求环保低碳的清洁燃料等关键环境挑战的解决方案之一。质子交换膜电解水技术被认为是一种非常有前途的制氢方式,具有纯度高、系统响应迅速、电流密度高和功耗小等优点。质子交换膜电解水中发生的电化学反应本质上与许多复杂的反应过程相关,包括电子和离子传递、动力学速率、物质传递、质量和动量传递,以及阳极和阴极之间的传热现象。因此,为了提高电池性能并促进质子交换膜电解水系统的优化设计,深入了解质子交换膜电解水中电化学反应所涉及的不同过程至关重要。
本文介绍了两个质子交换膜电解水的数值模型。第一个是三维非等温单相模型,用于分析操作条件和物理参数对质子交换膜电解水性能的影响,该模拟基于利用有限元方法的计算流体动力学,研究了电流密度、物质浓度和温度的分布。值得注意的是,该模型加入了能斯特方程模拟质子交换膜电解水,使模型能够分析非标况下不同压力和温度下的质子交换膜电解水现象。研究结果表明,温度、电流密度、氢浓度和氧浓度的最大值均出现在肋下,并从入口到出口逐渐上升。另一方面,最大水浓度分布出现在流道下方,并且从入口到出口逐渐变小。通过增加气体扩散层的厚度,可以减少膜/催化剂层界面处的不均匀分布情况。
此外,分析了极化曲线和比电能消耗,以了解设计因素和运行环境的影响。结果表明,将工作温度从323K增加至363K,由于氢离子扩散的减弱可降低比能量需求和电池电压,比能量需求随着阴极压力的增加而增加。此外,比能量需求随着气体扩散层和膜厚度的增加而增加。相反,增加气体扩散层孔隙率会提高极化性能并降低特定电能需求。
热力学第二定律和(火用)经济分析是优化质子交换膜电解水设计的有效工具,通过考虑这些工具用于评估与(火用)相关的成本和价格。之前的模型结合第二定律和经济分析来评估设计参数和运行环境对质子交换膜电解水能量经济性能的影响。此外,模型还结合了气体交叉现象,以计算不同条件和参数下气体泄漏对分析精度的影响。研究结果表明,提高工作温度或减少膜厚度会对提高氢气的(火用)值和电压效率。然而,这些变化也导致通过膜内气体泄漏的增加。同样,增加电流密度和阴极压力可以降低氢(火用)的成本并提高经济效益。然而,在高阴极压力下,更多的氢气从阴极渗透到阳极,从而降低了质子交换膜电解水在气体泄漏方面的性能并增加了爆炸风险。此外,评估了不同可再生能源对氢气(火用)成本的影响。陆上风能和水力发电所产生的的绿色电力最具成本效益,这种方法有效降低了制氢成本,提高了整体经济效益。
此外,我们关注了不同的流场结构,这对质子交换膜电解水的极化性能和水热参数的均匀分布都有重大影响。在此提出了第二个数值模型,研究了七种不同的圆形流场模式,包括平行流场、网状流场、单路流场、双路流场、两段流场、四段流场和双通道蛇形流场结构,膜电极面积为38.5cm2。此外,综合分析了各种情况下的均匀性指数、极化曲线和平均膜温度。该数值模型提出了基于质量、动量、电荷、能量和物质守恒方程的三维非等温两相模型。研究结果表明,单路径和双路径蛇形模式在质子交换膜电解水内产生最有利的流量分布和温度均匀性。相反,平行流场的结果最不理想。此外,四段、两段和两路蛇形流型在极化曲线方面表现出最佳性能。
最后,对质子交换膜电解水加氢站进行了完整的经济和环境分析。旨在根据各种情况下的各种行为和特征(电流-伏特曲线),展示各种运行环境和设计参数对质子交换膜电解水经济和环境方面的影响。根据累积贴现现金流图的净现值、贴现回收期、效益成本比和内部收益率进行盈利能力分析。此外,还进行敏感性分析以评估不同经济因素的影响。此外,在不同条件下建立了二氧化碳足迹分析,为最佳操作和设计条件提供指导。研究结果表明,通过增加阴极压力和工作温度以及减小膜厚度,可以同时实现增强经济可行性和减少环境问题。当膜厚度超过100μm时,该项目在1.85 V下变得无利可图且效率低下。质子交换膜电解水在电流密度为12,000A/m2或更高时变得更有价值和可持续,但会释放更多的二氧化碳排放。因此,在质子交换膜电解水中利用可再生能源产生的多余电力可以解决环境问题并增强氢气生产的整体生态可持续性。
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