comsol学习-碱性电解槽堆中的分流-电化学,水解电槽,碱性

一 碱性电解槽堆

碱性电解槽(单体) :一种利用电能将水(H₂O )分解成氢气(H₂ )和氧气(O₂)的电化学装置。

碱性电解槽堆: 工业上大规模生产氢气(绿氢)的核心设备,将数十甚至上百个 独立的电解槽单元 通过双极板 在物理和电学上串联 起来,形成一个"堆"。

双极板:关键部件。的阴极一面是上一个单元池,另一面是下一个单元池的阳极。它同时承担着导电、分隔反应气体、提供流体通道(歧管)等多种功能。

公用歧管 :整个堆共用入口和出口管道(即模型中提到的"歧管"),用于向所有单元池分配电解液和排出气体+电解液的混合物。

分流现象 :在理想情况下,电流应该全部 从外部电源流入,流经每个单元池的电极和隔膜,用于分解水。但在现实中,由于整个堆的电解液是连通的(通过公共的歧管和通道),存在一条非预期的并联电流路径 。一部分电流直接通过共享的电解液 ,从一个单元池流到另一个单元池。这部分电流就是 "寄生分流" 或 **"漏电流",**会降低整体的效率。

二 仿真解决的问题

量化分流现象,分析其对电解槽性能的影响。

三 重点仿真设置

3.1建立非局部耦合算子

非局部耦合:算子可以在模型的任意位置被调用。

算子的作用:

  • 计算效率指标:可能需要特定点的气体分压来计算氢气的产量

  • 监控关键参数:实时监测模型运行中关键点的状态

  • 定义约束条件:在某些优化问题中,需要约束特定点的物理量

可以在后面的步骤中使用这些积分算子来计算, 可以调用这个点的不同物理量。

eg:

氢气摩尔流量 = intop_point_h2 (n_H2)

电位差 = intop_point_h2(phi) - phi_ref

3.2 水电解槽(WE)

(1)水电解槽

氢气混合物和氧气混合物都清除H2O,为了简化计算,默认氢气和氧气中不含水蒸气。

因为在碱性电解槽条件下,产物中水蒸气的含量很低,对电荷传输,电流分布影响很小。

本模型的重点在分流电流、电流分布、效率计算,忽略H2O可以大大简化计算,减少变量和方程,当然加上H2O也会更贴合实际。

(2)隔膜1

输入电解质体积分数。

隔膜的核心功能如下:

  • 物理分隔:防止氢气和氧气混合(避免爆炸风险)

  • 离子导通:允许氢氧根离子(OH⁻)通过,维持电流回路

  • 电阻元件:隔膜电阻是电解槽总电压损失的重要组成部分

电解槽的隔膜通常是多孔材料。

电解质体积分数则代表电解质在隔膜区域的体积分数,通常是一个常数,这里就是0.5。

(3)集流体1

设置集流体的电导率来自材料,方便后续材料更换(只需修改材料,无需修改物理场)。

集流体:在电化学装置中负责收集和分配电子,是连接外部电路与电极反应界面的关键部件。

在碱性电解槽中的作用:

  • 电子传输主通道:将外部电源的电流传递到电极表面

  • 电流均匀化:确保电流在电极表面上均匀分布

  • 结构支撑:作为双极板或端板,提供机械支撑

  • 流体分隔:分隔氢气和氧气两侧的反应区

  • 热量传递:帮助散热,维持温度均匀

(4)氢气-电解质室1

输入电解质体积分数,这里的是一个空间变量而不是常数,通常随着高度方向进行变化,随着大量氢气析出而减少。

(5)氧气-电解质室1

与氢气-电解质室1同理。

(6)内部氢电极表面1-氢电极反应(HER)

化学计量系数代表在氢电极反应中,每有1mol电子 参与反应,就会有0.5mol的H2生成 和1mol的H2O被消耗。

在comsol中通常将方程数按照电子数进行归一化。

交换电流密度:平衡电位下的反应速率,反应电极的催化活性。

集总多级:用一个集总参数表示多步骤反应的总体动力学。

碱性电解的HER反应通常涉及Volmer-Heyrovsky或Volmer-Tafel机制,而不是用一个Butler-Volmer方程就能准确描述,集总多级通过调整反应级数(ξ)来近似复杂机理。

选择阴极反应级数,氢气压力会影响反应平衡电位和动力学,反应级数为1, 表示与氢气压力呈线性正比。

阳极传递系数(αₐ) 和 阴极传递系数(α꜀) 是Butler-Volmer方程中的核心参数 ,它们决定了反应速率如何随过电位变化。

(7)内部氧电极表面1-氧电极反应(OER)

类似内部氢电极表面1-氢电极反应(HER)

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