Sistema di elettrolisi PEM
Questo esempio mostra come modellare un elettrolizzatore dell'acqua a membrana a scambio protonico (PEM) con un blocco Simscape™ personalizzato. L'elettrolizzatore PEM consuma energia elettrica per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Il blocco personalizzato rappresenta l'assieme membrana-elettrodo (MEA) ed è collegato a una rete di liquido termico e a due reti di aria umida separate: la rete di liquido termico modella l'alimentazione idrica, la rete di aria umida dell'anodo modella il flusso di ossigeno e la rete di aria umida del catodo modella il flusso di idrogeno.
La pompa di circolazione fornisce un flusso continuo di acqua al lato dell'anodo dell'elettrolizzatore. L'acqua consumata viene rimossa dalla rete di liquido termico e l'acqua in eccesso viene rimessa in circolo. L'ossigeno prodotto all'anodo viene trasportato dal flusso d'acqua in eccesso e modellato separatamente dalla rete di aria umida dell'anodo. Il serbatoio di separazione modella l'equilibrio di acqua e ossigeno nel flusso di ritorno prima che l'ossigeno venga espulso. La pompa di alimentazione rifornisce il sistema di acqua dolce.
L'idrogeno prodotto sul lato del catodo, insieme all'acqua che è stata trasportata attraverso il MEA, viene modellato dalla rete di aria umida del catodo. Il deumidificatore rimuove il vapore acqueo indesiderato dall'idrogeno. Una valvola di regolazione della pressione mantiene una pressione di 3 MPa al catodo, rispetto alla pressione atmosferica all'anodo. La pressione differenziale attraverso il MEA determina il trasporto di acqua grazie alla pressione idraulica che aiuta a contrastare la resistenza elettro-osmotica e riduce la quantità di acqua sul lato del catodo.
A differenza di uno stack di celle a combustibile, non è necessaria una rete di raffreddamento separata. Il calore dissipato dall'elettrolizzatore è trasportato dall'acqua in eccesso e quindi respinto nell'ambiente attraverso lo scambiatore di calore. Il ricircolo dell'acqua è controllato per mantenere una temperatura di 80°C nell'elettrolizzatore.
Il blocco MEA personalizzato è implementato nel codice Simscape Electrolyzer.ssc. La porta del liquido termico H2O viene utilizzata per rimuovere l'acqua dalla rete del liquido termico. L'H2 e l'O2 prodotti e l'H2O trasportato vengono aggiunti alle due reti di aria umida utilizzando i blocchi Controlled Trace Gas Source (MA) e Controlled Moisture Source (MA). Il calore in eccesso viene inviato attraverso la porta termica H al blocco Thermal Mass collegato. Per ulteriori dettagli sull'implementazione, fare riferimento ai commenti nel codice.
Consultare inoltre l'esempio Sistema di celle a combustibile PEM.
Riferimenti:
Liso, Vincenzo, et al. "Modelling and experimental analysis of a polymer electrolyte membrane water electrolysis cell at different operating temperatures." Energies 11.12 (2018): 3273.
Mo, Jingke, et al. "Thin liquid/gas diffusion layers for high-efficiency hydrogen production from water splitting." Applied Energy 177 (2016): 817-822.
Modello
Sottosistema dei canali del fluido dell'anodo
Sottosistema dei canali del gas del catodo
Sottosistema del deumidificatore
Sottosistema dell'alimentazione elettrica
Sottosistema dello scambiatore di calore
Sottosistema di output dell'idrogeno
Sottosistema di ricircolo
Sottosistema del serbatoio di separazione
Sottosistema dell'alimentazione idrica
Risultati di simulazione dagli Scope
Risultati di simulazione da Simscape Logging
Questo grafico mostra la curva corrente-tensione (i-v) e la potenza consumata da una cella dello stack. Con l'aumento della corrente, si verifica un iniziale aumento della tensione a causa delle perdite di attivazione degli elettrodi, seguito da un incremento graduale della tensione dovuto alle resistenze ohmiche. La tensione della cella è di circa 1,71 V con una densità di corrente di 2 A/cm^2.
Questo grafico mostra l'energia elettrica consumata dall'elettrolizzatore. A causa di varie perdite, l'energia elettrica è maggiore di quella necessaria per produrre idrogeno. La differenza è il calore dissipato.
Questo grafico mostra inoltre l'efficienza termica dell'elettrolizzatore, che indica la frazione di energia elettrica utilizzata per generare idrogeno in base al potere calorifico dell'idrogeno. Questo elettrolizzatore ha un'efficienza di circa l'87% a una densità di corrente di 2 A/cm^2.
Questo grafico mostra la velocità di produzione dell'idrogeno, la velocità di consumo dell'acqua all'anodo nonché la velocità di trasporto dell'acqua al catodo dovuta alla diffusione, alla resistenza elettro-osmotica e alla differenza di pressione idraulica. Di conseguenza, è necessaria una fase di deumidificazione per produrre idrogeno alla purezza desiderata.
Questo grafico mostra inoltre la massa totale di idrogeno prodotto e l'energia equivalente basata sul suo potere calorifico superiore. Questo fornisce un'indicazione della quantità di energia disponibile se l'idrogeno viene utilizzato per generare energia in una cella a combustibile.
