PEM-Elektrolysesystem
Dieses Beispiel zeigt, wie ein PEM-Wasserelektrolyseur (Proton Exchange Membrane, Protonenaustauschmembran) mit einem benutzerdefinierten Simscape™-Block modelliert wird. Der PEM-Elektrolyseur verbraucht elektrische Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der benutzerdefinierte Block stellt die Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrode Assembly, MEA) dar und ist mit einem Wärmeträgerflüssigkeits-Netz und zwei separaten Feuchtluftnetzen verbunden: Das Wärmeträgerflüssigkeits-Netz modelliert die Wasserversorgung, das Anoden-Feuchtluftnetz modelliert den Sauerstofffluss und das Kathoden-Feuchtluftnetz modelliert den Wasserstofffluss.
Die Zirkulationspumpe sorgt für einen kontinuierlichen Wasserfluss zur Anodenseite des Elektrolyseurs. Verbrauchtes Wasser wird aus dem Wärmeträgerflüssigkeits-Netz entfernt und überschüssiges Wasser wird zurückgeführt. Der an der Anode erzeugte Sauerstoff wird durch den abfließenden Wasserüberschuss abgeführt. Er wird separat durch das Anoden-Feuchtluftnetz modelliert. Der Abscheidebehälter modelliert das Gleichgewicht von Wasser und Sauerstoff im Rücklauf, bevor der Sauerstoff abgelassen wird. Die Versorgungspumpe füllt das System mit frischem Wasser auf.
Der auf der Kathodenseite erzeugte Wasserstoff sowie das Wasser, das über die MEA transportiert wurde, werden durch das Kathoden-Feuchtluftnetz modelliert. Der Luftentfeuchter entfernt den unerwünschten Wasserdampf aus dem Wasserstoff. Ein Druckregelventil hält einen Druck von 3 MPa an der Kathode im Vergleich zum atmosphärischen Druck an der Anode aufrecht. Der Differenzdruck über der MEA führt zu einem Wassertransport aufgrund des hydraulischen Drucks, der dazu beiträgt, dem Elektroosmosewiderstand entgegenzuwirken und die Wassermenge auf der Kathodenseite zu reduzieren.
Im Gegensatz zu einem Brennstoffzellenstapel ist kein separates Kühlnetz erforderlich. Die vom Elektrolyseur abgegebene Wärme wird vom überschüssigen Wasser abgeführt und dann über den Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben. Das rückgeführte Wasser wird so gesteuert, dass im Elektrolyseur eine Temperatur von 80 °C aufrechterhalten wird.
Der benutzerdefinierte Block „MEA“ wird im Simscape-Code Electrolyzer.ssc implementiert. Der Wärmeträgerflüssigkeits-Anschluss H2O dient zum Ableiten des Wassers aus dem Wärmeträgerflüssigkeits-Netz. Der erzeugte Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) sowie das transportierte Wasser (H2O) werden den beiden Feuchtluftnetzen mithilfe der Blöcke „Controlled Trace Gas Source (MA)“ und „Controlled Moisture Source (MA)“ zugeführt. Die überschüssige Wärme wird über den thermischen Anschluss H an den angeschlossenen Block „Thermal Mass“ geleitet. Weitere Einzelheiten zur Implementierung finden Sie in den Kommentaren im Code.
Siehe auch das Beispiel PEM-Brennstoffzellensystem.
Literaturnachweise:
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.
Liso, Vincenzo, et al. „Thin liquid/gas diffusion layers for high-efficiency hydrogen production from water splitting.“ Applied Energy 177 (2016): 817–822.
Modell
Subsystem „Anode Fluid Channels“
Subsystem „Cathode Gas Channels“
Subsystem „Dehumidifier“
Subsystem „Electrical Supply“
Subsystem „Heat Exchanger“
Subsystem „Hydrogen Output“
Subsystem „Recirculation“
Subsystem „Separator Tank“
Subsystem „Water Supply“
Simulationsergebnisse von Scopes
Simulationsergebnisse der Simscape-Protokollierung
Dieses Diagramm stellt die Strom-Spannungs-Kurve (i-v) und die von einer Zelle im Stapel verbrauchte Energie dar. Während der Strom ansteigt, kommt es aufgrund von Elektrodenaktivierungsverlusten zu einem anfänglichen Spannungsanstieg, gefolgt von einem allmählichen Spannungsanstieg aufgrund von Ohmschen Widerständen. Die Zellenspannung beträgt etwa 1,71 V bei einer Stromdichte von 2 A/cm^2.
Dieses Diagramm stellt die vom Elektrolyseur verbrauchte elektrische Energie dar. Die elektrische Energie ist aufgrund verschiedener Verluste größer als die zur Erzeugung von Wasserstoff benötigte Energie. Die Differenz entspricht der abgeleiteten Wärme.
Dieses Diagramm stellt auch den thermischen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs dar, der basierend auf dem Heizwert von Wasserstoff den Anteil der zur Erzeugung von Wasserstoff verwendeten elektrischen Energie angibt. Dieser Elektrolyseur hat einen Wirkungsgrad von etwa 87 % bei einer Stromdichte von 2 A/cm^2.
Dieses Diagramm stellt die Wasserstoffproduktionsrate, die Wasserverbrauchsrate an der Anode sowie die Wassertransportrate zur Kathode aufgrund von Diffusion, Elektroosmose und Hydraulikdruckdifferenz dar. Daher ist ein Entfeuchtungsschritt erforderlich, um Wasserstoff in der gewünschten Reinheit zu erzeugen.
Dieses Diagramm stellt auch die Gesamtmasse des erzeugten Wasserstoffs und die entsprechende Energie auf der Grundlage seines höheren Heizwerts dar. Dies kann als Anhaltspunkt für die verfügbare Energiemenge dienen, wenn der Wasserstoff zur Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle verwendet wird.
