来源：Ansys Advantage, Issue 2, 2019, page 22~25

原作者：Ernesto Amores Vera, Research andDevelopment Engineer Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) Ciudad Real, Spain

翻译整理：IDAJ-China技术部流体组

可再生能源产量的增加激发了人们对利用质子交换膜水电解制氢用于储能的可行解决方案的兴趣。为了优化和改善质子交换膜（PEM）电池，一个名为ENHIGMA的国家项目使用Ansys Fluent作为基本工具来仿真电池中的流动现象。 仿真计算得到的结果将有助于未来制造更具成本竞争力、高效且耐用的PEM电解槽。

氢能循环：生产，储存和转化。 水电解槽可使用可再生能源生产氢气和氧气。氢气通过输运或存储在相应的设施中，在需要时可以使用燃料电池将其转化为电能，也可以在交通领域将其用作燃料。

“需要新式的且充足的储能方式

来克服可再生能源的间歇性。”

随着能源需求的增长，世界需要更安全并且可靠的电力来源，这加速了许多创新技术用于能源生产。然而多种可再生能源(Renewable EnergySource)，如太阳能、风能和其他能源，不能以稳定的速度连续发电。需要新式的且充足的储能方式来客服可再生能源的间歇性，从而将其成功集成到电力供应系统中。

电池存储的电量通常不超过数小时或几天，氢气（作为能量载体）可以无限期地存储。它可以由可再生能源产生的电力来制备，一旦存储起来，就可以进行运输和配送至使用端，如日常生活中的氢气加注站，也可以通过燃料电池将其转换为电能，为电动车或房屋供电，或提供给电网。

水电解是生产氢的最环保的方法之一。在此电化学过程中，水被通电发生分解产生氢气和氧气。当电力来自可再生能源时，这是一个零排放过程。在不同的电解过程中，质子交换膜水电解（PEMWE）已成为最重要的方法之一。 PEMWE系统可以在高电流密度（2,000 mA / cm2）下运行，以产生高纯度和高压的氢气。 尽管目前大型PEM电解槽已经投入商用，但包括高成本、耐用性在内的各种因素却阻碍了它们的广泛采用。

西班牙的Centro Nacionaldel Hidrógeno（CNH2）（氢能国家中心）开展了对未来技术如氢能和燃料电池的研究。 CNH2是ENHIGMA项目的技术协调者（2016-2019年）与其他研究中心及公司一起研究开发低成本、耐用且节能的PEM电解槽。

PEM水电解堆，可用于制备纯度高于99.995％的氢气。

有效面积为25 cm2，最大电流密度为2,000 mA / cm2。

设计中的重要组成部分

双极板是PEMWE中最重要的组件，它提供结构强度，这些金属板将组装在PEMWE堆中的每个膜电极组件（MEA）分开。它们包含机械加工的流道，可将水导流到电池内，并将产生的气体（H2 / O2）输送至出口，同时它们也对反应位置的充分导电和散热必不可少。由于所使用的材料和制造方法，双极板约占PEMWE成本的50％，因此要改善PEMWE，就需要对该组件进行优化。

PEM水电解池中流场的仿真模型设置：（a）完整电解池的简化方案；

（b）模型中考虑的阴极室的范围； （c）在阴极通道中考虑的现象 

计算流体动力学（CFD）模拟是一种获得双极板中流动分布的基础手段。 ENHIGMA研究团队使用ANSYS Meshing及ANSYS Fluent来进行各种复杂的CFD模拟。利用CNH2的高性能计算许可证（ANSYS HPC），研究团队可以将CFD计算任务递交到他们内部的八核电脑进行并行计算，从而快速、经济地获得仿真结果。

模型建模

PEMWE电池中水流通道的布局可以有多种可能的方案，但是平行直通道由于其简单性通常被认为是最佳的流动分配设计，该项目团队利用平直通道进行建模仿真。为了简化计算量，工程师使用ANSYS Fluent PEMWE模型仅分析了阴极室中的流动状况。 ANSYSFluent还具有其他燃料电池模型，包括用于PEM和固体氧化物燃料电池（SOFC）模型。

仿真模型的几何外形：(a) 双极板和流道；(b) 完整的域；(c)流体域；(d)双极板；

(e) 双极板及流道的切面；(f)流道的细节尺寸

该过程的第一步是在ANSYS Meshing中进行网格独立性研究，以确定用于仿真的最佳节点数。对七套网格进行了评估以确定最佳离散化，最佳数量为1,901,570个节点。使用ANSYS Meshing研究人员能够轻松地对复杂的几何体进行网格划分，因此他们能够为同一模型中的不同区域创建合适的网格。例如，在通道中使用六面体网格，在双极板的入口/出口使用四面体网格。

“这些（仿真）结果将有助于未来制造性能更好、成本更低、

节能且耐用的质子交换膜电解槽。”

流场仿真

该团队工程师使用ANSYS Fluent软件对关注的模型中进行了流场仿真。Fluent通过求解连续方程、动量方程和能量方程，来预测流入电池通道的水流量如何在通道中分配。随后基于法拉第电解定律，计算了当电极之间施加电势差时，从膜电极组件（MEA）流向通道的氢气生成速率（辅助方程），该方程作为速度边界条件（电流密度与氢气流速）引入模型中。

接下来，随着水和生成的氢气在通道中流动到电池出口，需要计算多相流。在PEMWE中，有一个主相（水）和一个第二相（小氢气泡）分散在主相中。由于在气液混合物中会出现多种现象，计算多相流很复杂，工程师没有使用标准的欧拉多相模型，而是在ANSYS Fluent中创建一个混合物模型(Mixture model)。这是一个更简单的模型，但仿真效果与多阶段模型相比也不错，同时所需的变量数量较少，可仿真典型的应用场景包括气泡含量较低的气液混合流动，使用这种混合物模型，可以获得液相和气相的体积分数方程。

结果分析用于改进设计

模拟结束后，研究团队便开始分析结果。当对比不同的水流量下电解池中的氢气体积分数时，仿真结果显示对于给定的电流密度，当水流量从25 mL/min增加大100 mL / min时，某些通道中的流量出现不足。混合物密度结果也是如此，当电流密度增加时，通道越来越阻塞，仿真结果也表明，对于给定的流速，当电流密度从500mA/cm²变为2,000 mA / cm²时，产生的氢气往往会以较低的流速充满通道，从而阻塞了水的通过性(在这些通道中)。

双极板中使用平行直通道时电解池中的氢组分分布

可见中间通道的流量分配不足，因此，在横向通道中会出现热点和氢气产生不足。

平行直通道电解池中不同的流量下的氢气组分

对于给定的电流密度，当水流量从25（左）mL / min增加到100（右）mL / min时，某些通道的流量分布不足。

尽管通常将双极板中的平行通道布置看作流场的最佳布置，但通过CFD仿真结果表明并非如此。该布置方式存在明显的弱点，尤其是在大电流和大流量的情况下，这会引起局部过热并降低过程效率，必须提出一种新的流量分配布置方式。

仿真获得的双极板通道中的流线（工况：500 mA / cm2和100 mL / min）。

在某些通道中，当流速高时，可能会发生打旋现象，这将阻碍通道中的水流，从而使电池中产生的氢气积聚，降低过程效率。

未来的展望

ENHIGMA项目的目标是改善质子交换膜电解槽性能推进其商业化， 最基础要优化的关键部件就是双极板。通过使用ANSYS Fluent对该组件设计变量进行的大量CFD模拟，研究团队总结出PEM水电解流场的初步成果，这些结果将有助于未来制造性能更好、成本更低、节能且耐用的质子交换膜电解槽。