Chương 33: Mô hình điện phân máy điện phân màng trao đổi proton. Môn Ngôn ngữ lập trình | Đại học Trường Đại học Phenika.

lOMoAR cPSD| 59561309 IN TRANG
Chương 33: Mô hình điện phân của máy điện phân màng trao đổi proton
Hướng dẫn này được chia thành các phần sau:
33.1. Giới thiệu 33.2. Điều kiện tiên quyết 33.3. Mô tả vấn đề 33.4. Thiết lập và Giải pháp 33.5. Tóm tắt 33.1. Giới thiệu
Hướng dẫn này trình bày cách thiết lập và giải pháp cho thiết bị điện phân màng trao đổi
proton (PEM) bằng cách sử dụng mô hình điện phân trong Ansys Fluent.
Cấu trúc hình học của bộ điện phân PEM 3D bao gồm cụm điện cực màng (MEA), bộ thu dòng
điện và các tấm lưỡng cực có kênh dẫn dòng.
Hướng dẫn này minh họa cách thực hiện những điều sau:
Thiết lập mô phỏng máy điện phân PEM bằng mô hình điện phân trong Ansys Fluent
Xác định vật liệu rắn cho cực dương, cực âm và chất điện phân
Khởi tạo và giải quyết mô phỏng điện phân bằng cách sử dụng bộ giải dựa trên áp suất
Thu thập kết quả mô phỏng máy điện phân và thực hiện các hoạt động xử lý sau
Để tìm hiểu thêm về mô hình điện phân, hãy xem Mô hình điện phân và bơm H2 trong Hướng
dẫn lý thuyết Fluent và Thiết lập mô hình điện phân và bơm H2 trong Hướng dẫn sử dụng Fluent .
33.2. Điều kiện tiên quyết
Hướng dẫn này được viết với giả định rằng bạn đã hoàn thành các hướng dẫn giới thiệu có
trong hướng dẫn này và bạn đã quen thuộc với giao diện phác thảo và cấu trúc ribbon của
Ansys Fluent. Một số bước trong quy trình thiết lập và giải pháp sẽ không được hiển thị rõ ràng. lOMoAR cPSD| 59561309
33.3. Mô tả vấn đề
Mô hình máy điện phân 3D được mô tả trong [1] được xem xét trong hướng dẫn này. Hình học
của máy điện phân PEM với các tấm lưỡng cực được thể hiện sơ đồ trong Hình 33.1: Sơ đồ của
bài toán máy điện phân .
Hình 33.1: Sơ đồ bài toán điện phân
Nước lỏng được cung cấp qua kênh dòng chảy anot ở 333,15 K và lưu lượng khối lượng là
0,000404 kg/giây. Nước chảy qua các lớp xốp đến các lớp xúc tác, tại đó xảy ra phản ứng điện
hóa. Trong các phản ứng điện hóa, hydro dạng khí được tạo ra trong lớp xúc tác catot và oxy
được tạo ra trong lớp xúc tác anot. Sau đó, hydro dạng khí và oxy được vận chuyển ra khỏi lớp
xúc tác qua các kênh dòng chảy đến các đầu ra anot và catot, tại đó hydro và oxy cùng với
nước lỏng còn lại được thải ra khỏi bình điện phân. Xem Hình 33.2: Mặt cắt ngang bình điện phân .
Hình 33.2: Mặt cắt ngang của máy điện phân lOMoAR cPSD| 59561309 33.3.1. Bối cảnh
Trong hướng dẫn này, mô hình điện phân được sử dụng để mô phỏng máy điện phân PEM
3D. Đối với điện phân PEM, các phản ứng điện hóa được đưa ra bởi:
Tốc độ phản ứng điện hóa trong các lớp chất xúc tác được tính toán bằng công thức
ButlerVolmer, công thức này xác định tốc độ sản xuất hydro và oxy. Do sự hiện diện của
nước lỏng và hydro và oxy dạng khí, mô hình đa pha được sử dụng trong mô hình hóa. Hai
phương trình tiềm năng được giải để theo dõi dòng điện và dòng ion tương ứng.
33.4. Thiết lập và Giải pháp
Các phần sau đây mô tả các bước thiết lập và giải pháp cho hướng dẫn này:
33.4.1. Chuẩn bị 33.4.2. Lưới 33.4.3. Thiết lập mô hình 33.4.4. Hậu xử lý 33.4.1. Chuẩn bị
1. Tải xuống electrolysis.ziptệp ở đây .
2. Giải nén electrolysis.zipvào thư mục làm việc của bạn.
Có thể tìm thấy tệp lưới electrolysis.msh.h5trong thư mục.
3. Sử dụng Fluent Launcher để khởi động Ansys Fluent.
4. Chọn Giải pháp trong danh sách lựa chọn phía trên bên trái để bắt đầu Fluent ở Chế độ Giải pháp .
5. Chọn 3D trong mục Dimension .
6. Bật Độ chính xác kép trong Tùy chọn trình giải .
7. Đặt Quy trình giải quyết thành 4Song song (Máy cục bộ) . 33.4.2. Lưới
1. Đọc tệp lưới electrolysis.msh.h5.
Tệp → Đọc → Lưới...
Khi được nhắc, hãy duyệt đến vị trí của tệp electrolysis.msh.h5và chọn tệp.
Khi bạn đọc lưới, nó sẽ được hiển thị trong cửa sổ đồ họa nhúng. 2. Kiểm tra lưới.
Miền → Lưới → Thực hiện Kiểm tra Lưới
33.4.3. Thiết lập mô hình
Các phần sau đây mô tả các bước thiết lập cho hướng dẫn này: lOMoAR cPSD| 59561309
33.4.3.1. Thiết lập Vật lý 33.4.3.2. Mô hình 33.4.3.3. Vật liệu 33.4.3.4. Điều kiện biên giới 33.4.3.5. Giải pháp
33.4.3.6. Thu được giải pháp
33.4.3.1. Thiết lập Vật lý
Thiết lập cài đặt cho trình giải.
Vật lý → Giải → Tổng quát...
1. Trong trang tác vụ Chung , giữ nguyên cài đặt mặc định Dựa trên Áp suất trong mục
Loại ( hộp nhóm Trình giải quyết ).
2. Giữ nguyên lựa chọn mặc định là Ổn định trong hộp nhóm Thời gian . 33.4.3.2. Mô hình
1. Kích hoạt mô hình điện hóa/điện thế.
Vật lý → Mô hình → Thêm → Điện thế/Điện hóa
a. Trong hộp thoại Điện thế/Điện hóa học , hãy bật Phương trình điện thế .
b. Trong hộp nhóm Điện hóa học , hãy bật Điện phân và Mô hình bơm H2 .
Hộp thoại mở rộng để hiển thị các cài đặt của mô hình điện phân.
Hình 33.3: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa học - Tab Mô hình
2. Trong tab Model (xem Hình 33.3: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa học - Tab Model ), hãy
cấu hình các thiết lập sau: Hộp nhóm
Kiểm soát hoặc Danh sách
Giá trị hoặc Lựa chọn Đã giải quyết (Đã chọn)
Phương pháp mô hình hóa lớp MEA Loại thiết bị Điện phân PEM (Đã chọn) Tùy chọn
Nguồn điện hóa học (Đã chọn)
Tỷ lệ Butler-Volmer (Đã chọn) lOMoAR cPSD| 59561309
Lực cản thẩm thấu (Đã chọn) Áp suất mao dẫn (Đã chọn) lOMoAR cPSD| 59561309 Hộp nhóm
Kiểm soát hoặc Danh sách
Giá trị hoặc Lựa chọn
Thiết lập hệ thống điện
Chỉ định Tổng điện áp (Đã chọn) Tổng điện áp 1.730202V
3. Trong tab Tham số (xem Hình 33.4: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa - Tab Tham số ),
hãy cấu hình các thiết lập sau: Hộp nhóm
Kiểm soát hoặc Danh sách
Giá trị hoặc Lựa chọn cực dương J_ref 1.36e-9A/ m2 Ea 181411J/mol C_tham_chiếu
1kmol/m 3 (Mặc định) Con.Số mũ 0 Exch. Coeff. a 2(Mặc định) Exch. Coeff. c 2(Mặc định) cực âm J_ref 200A/ m2 Ea 24359J/mol C_tham_chiếu
1kmol/m 3 (Mặc định) Con.Số mũ 0(Mặc định) Exch. Coeff. a 1 lOMoAR cPSD| 59561309 Exch. Coeff. c 1 Toàn cầu Điện áp mở 1.1999V
Mod. Hệ số. OSM_Kéo 1(Mặc định)
Hình 33.4: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa học - Tab Tham số
Lưu ý: Các giá trị đầu vào cho máy điện phân được xem xét trong hướng
dẫn này được lấy từ [1] . Các đầu vào này có thể không phù hợp với thiết bị
điện phân của bạn. Bạn phải cung cấp các đầu vào phù hợp với trường hợp của mình.
4. Trong tab Anode , hãy chỉ định cài đặt cho vùng anode. lOMoAR cPSD| 59561309
a. Trong hộp nhóm Anode Zone Type , chọn Current Collector , sau đó trong danh
sách lựa chọn nhiều Zone(s)anode_cc , chọn và giữ nguyên lựa chọn mặc định
là collector-default cho Solid Material .
Hình 33.5: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa học - Bộ thu Anode
b. Trong hộp nhóm Loại vùng Anode , chọn Kênh lưu lượng , sau đó trong danh sách
lựa chọn nhiều Vùng , chọn anode_fc.
Hình 33.6: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa học - Kênh dòng chảy Anode lOMoAR cPSD| 59561309
c. Trong hộp nhóm Anode Zone Type , chọn Porous Layer rồi cấu hình các thiết lập
sau (xem Hình 33.7: Hộp thoại Potential/Electrochemistry - Anode Porous Layer ).
i. Trong danh sách lựa chọn nhiều Vùng , hãy chọn anode_pl.
ii. Trong hộp nhóm Điều kiện vùng ô , hãy sửa đổi các thiết lập sau:
Đặt Độ xốp thành 0.75.
Đặt Độ thấm tuyệt đối thành 4.9e-11m2 .
Đặt góc tiếp xúc theo 70 độ.
Giữ nguyên các thiết lập mặc định còn lại.
Hình 33.7: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa học - Lớp xốp Anode lOMoAR cPSD| 59561309
d. Trong hộp nhóm Loại vùng Anode , chọn Lớp xúc tác rồi cấu hình các thiết lập sau
(xem Hình 33.8: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa - Lớp xúc tác Anode .
i. Trong danh sách lựa chọn nhiều Vùng , hãy chọn anode_cl.
ii. Trong hộp nhóm Điều kiện vùng ô , hãy sửa đổi các thiết lập sau:
Đặt Độ xốp thành 0.2.
Đặt Độ thấm tuyệt đối thành 4.9e-12m2 .
Đặt góc tiếp xúc theo 80 độ.
Giữ nguyên các thiết lập mặc định còn lại.
Hình 33.8: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa - Lớp xúc tác Anode lOMoAR cPSD| 59561309
5. Trong tab Chất điện phân , hãy cấu hình các thiết lập sau cho chất điện phân/màng.
Nhóm hoặc danh sách
Kiểm soát hoặc Vùng
Giá trị hoặc Lựa chọn Khu vực mem (Đã chọn)
Điều kiện vùng tế Vật liệu rắn electrolyte-default bào Độ xốp 0.6(mặc định)
Độ thấm tuyệt đối
1e-12m 2 (mặc định)
Hình 33.9: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa - Tab Chất điện phân lOMoAR cPSD| 59561309
6. Trong tab Cathode , hãy chỉ định cài đặt cho vùng catốt (tương tự như vùng anode).
a. Đối với bộ thu dòng điện cực âm, hãy cấu hình các thiết lập sau: Nhóm hoặc danh
Kiểm soát hoặc Vùng
Giá trị hoặc Lựa chọn sách Loại vùng Cathode
Người sưu tầm hiện tại (Đã chọn) Khu vực cathode_cc (Đã chọn)
Điều kiện vùng tế Vật liệu rắn bào collectordefault
b. Đối với kênh dòng catốt, hãy cấu hình các thiết lập sau:
Nhóm hoặc danh sách
Kiểm soát hoặc Vùng
Giá trị hoặc Lựa chọn lOMoAR cPSD| 59561309 Loại vùng Cathode (Đã chọn)
Nhóm hoặc danh sách
Kiểm soát hoặc Vùng
Giá trị hoặc Lựa chọn Khu vực cathode_fc (Đã chọn)
c. Đối với lớp xốp catốt, hãy cấu hình các thiết lập sau:
Nhóm hoặc danh sách
Kiểm soát hoặc Vùng
Giá trị hoặc Lựa chọn Loại vùng Cathode Lớp xốp (Đã chọn) Khu vực cathode_pl (Đã chọn)
Điều kiện vùng tế bào Vật liệu rắn porous-default Độ xốp 0.75
Độ thấm tuyệt đối 1e-11 m2 Góc tiếp xúc
60độ (Mặc định)
d. Đối với lớp xúc tác catốt, hãy cấu hình các thiết lập sau:
Nhóm hoặc danh sách
Kiểm soát hoặc Vùng
Giá trị hoặc Lựa chọn Loại vùng Cathode Lớp xúc tác (Đã chọn) Khu vực cathode_cl (Đã chọn)
Điều kiện vùng tế bào Vật liệu rắn catalystdefault Độ xốp 0.2 lOMoAR cPSD| 59561309
Độ thấm tuyệt đối 2e-12 m2 Góc tiếp xúc
60độ (Mặc định)
7. Trong tab Electrical Tabs , hãy chỉ định tab anode và catot bên ngoài.
Hình 33.10: Hộp thoại Điện thế/Điện hóa - Tab Chất điện phân
a. Trong danh sách lựa chọn nhiều Anodeanode_tab , hãy chọn , anode_tab.1, anode_tab.1.1.
b. Trong danh sách lựa chọn nhiều Cathodecathode_tab , chọn ,
cathode_tab.1, cathode_tab.1.1.
8. Nhấp vào OK để đóng hộp thoại Điện thế/Điện hóa học .
Ở chế độ nền, Fluent tự động thực hiện những thay đổi sau:
Điều chỉnh cài đặt trình giải. Thông tin về các thay đổi được in trong cửa sổ bảng điều khiển. lOMoAR cPSD| 59561309
Thiết lập mô hình loài. Một hỗn hợp vật liệu gọi là hỗn hợp pem (gồm nitơ, oxy,
hydro và hơi nước) được tạo tự động.
Thiết lập mô hình hỗn hợp đa pha. Vật liệu hỗn hợp pem-mixture được gán cho
pha chính. water-liquid được gán cho pha phụ. Pha chính ( pha-1 ) được chọn cho
vật liệu hỗn hợp loài trong hộp thoại Species Model .
Cho phép tính toán năng lượng. 33.4.3.3. Vật liệu
Điều chỉnh độ dẫn điện và độ dẫn điện của chất điện phân cho vật liệu rắn ( catalyst-
default, porous-default, catalyst-default, và electrolytedefault).
1. Thay đổi đặc tính của vật liệu thu thập.
Thiết lập → Vật liệu → Chất rắn → Chỉnh sửa... collector-default
a. Trong hộp thoại Tạo/Chỉnh sửa Vật liệu , hãy đảm bảo rằng solid được chọn cho
Loại Vật liệu và collector-defaultđược chọn cho Vật liệu Rắn Lưu động .
b. Trong hộp nhóm Thuộc tính , đặt Độ dẫn điện thành 20000và Độ dẫn điện phân thành 1e-16. lOMoAR cPSD| 59561309
c. Nhấp vào nút Thay đổi/Tạo .
2. Tương tự như vậy, hãy thay đổi các đặc tính của vật liệu xốp như sau.
Quan trọng: Bạn phải nhấp vào Thay đổi/Tạo để lưu cài đặt cho từng vật
liệu trước khi chọn vật liệu tiếp theo. Nếu không, các chỉnh sửa của bạn sẽ bị mất.
Vật liệu rắn chảy Tài sản Giá trị porous-default Độ dẫn điện 20000 1e-16
Độ dẫn điện của chất điện phân catalyst-default Độ dẫn điện 5000 4.5
Độ dẫn điện của chất điện phân electrolytedefault Độ dẫn điện 1e-16 11
Độ dẫn điện của chất điện phân
3. Đóng hộp thoại Tạo/Chỉnh sửa vật liệu .
33.4.3.4. Điều kiện biên giới
Đặt các điều kiện biên tại đầu vào dòng khối cho pha hỗn hợp và pha 2.
Thiết lập → Điều kiện biên → Đầu vào → anode_in Chỉnh sửa...
1. Trong Chế độ xem phác thảo , nhấp chuột phải vào anode_in (trong nhánh cây
Thiết lập/Điều kiện ranh giới/Đầu vào ) và chọn Chỉnh sửa... từ menu mở ra.
2. Trong hộp thoại Mass Flow Inlet mở ra, hãy xác định các điều kiện biên cho pha hỗn hợp. lOMoAR cPSD| 59561309
a. Đảm bảo rằng hỗn hợp được chọn từ danh sách thả xuống Pha .
b. Trong tab Nhiệt , nhập 333.15K cho Tổng nhiệt độ .
c. Nhấp vào Áp dụng .
3. Xác định các điều kiện biên cho giai đoạn 2.
a. Từ danh sách thả xuống Giai đoạn , chọn giai đoạn-2 .
b. Trong tab Động lượng , giữ nguyên lựa chọn mặc định là Tốc độ dòng khối cho
Phương pháp thông số dòng khối .
c. Nhập 0.000404kg/giây cho Tốc độ dòng khối lượng .
d. Nhấp vào Áp dụng .
4. Đóng hộp thoại Mass Flow Inlet .
Lưu ý: Vì pha 1 không có ở đầu vào nên lưu lượng khối lượng của nó là 0
kg/giây, đây là giá trị mặc định. 33.4.3.5. Giải pháp
1. Trong trang tác vụ Phương pháp giải quyết , giữ nguyên các thiết lập mặc định cho
Ghép nối áp suất-vận tốc và Phân biệt không gian .
Giải pháp → Giải pháp → Phương pháp...