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Sistema de electrólisis con PEM

En este ejemplo se muestra cómo crear un modelo de un electrolizador de agua con membrana de intercambio protónico (PEM) con un bloque de Simscape™ personalizado. El electrolizador con PEM consume energía eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El bloque personalizado representa el conjunto membrana electrodo (MEA) y está conectado a una red de líquidos térmicos y a dos redes independientes de aire húmedo: la red de líquidos térmicos modela el suministro de agua, la red de aire húmedo del ánodo modela el flujo de oxígeno y la red de aire húmedo del cátodo modela el flujo de hidrógeno.

La bomba de circulación proporciona un flujo continuo de agua hacia el lado de los ánodos del electrolizador. El agua consumida se elimina de la red de líquidos térmicos y el agua en exceso vuelve a circular. El flujo de agua en exceso se lleva el oxígeno producido en el ánodo; este se modela de manera independiente con la red de aire húmedo del ánodo. El tanque de separación modela el equilibrio de agua y oxígeno en el flujo de retorno antes de que se expulse el oxígeno. La bomba de suministro vuelve a llenar el sistema con agua dulce.

El hidrógeno producido en el lado del cátodo junto con el agua que se haya transportado por el MEA se modela con la red de aire húmedo del cátodo. El deshumidificador elimina el vapor de agua no deseado del hidrógeno. Una válvula reguladora de la presión mantiene una presión de 3 MPa en el cátodo en comparación con la presión atmosférica en el ánodo. La presión diferencial en el MEA provoca el transporte del agua debido a la presión hidráulica que ayuda a contrarrestar la resistencia de la electroósmosis y reduce la cantidad de agua en el lado del cátodo.

Al contrario de lo que sucede las pilas de combustible, no es necesaria una red independiente de refrigeración. El agua en exceso se lleva el calor que disipa el electrolizador y, después, se expulsa al ambiente a través del intercambiador de calor. El agua de recirculación se controla para mantener una temperatura de 80 °C en el electrolizador.

El bloque MEA personalizado está implementado en el código de Simscape Electrolyzer.ssc. El H2O del puerto de líquidos térmicos se utiliza para eliminar el agua de la red de líquidos térmicos. El H2 y el O2 que se han producido y el H2O transportado se añaden a las dos redes de aire húmedo utilizando los bloques Controlled Trace Gas Source (MA) y Controlled Moisture Source (MA). El calor en exceso se envía a través del puerto térmico H al bloque Thermal Mass conectado. Para obtener más información sobre la implementación, consulte los comentarios en el código.

Vea también el ejemplo Sistema de pila de combustible con PEM.

Referencias:

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.

Modelo

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 Subsystem

Resultados de simulación a partir de scopes

Resultados de simulación a partir del registro de Simscape

Esta gráfica muestra la curva tensión-corriente (i-v) y la energía consumida por una celda en la pila. A medida que la corriente aumenta, se produce un aumento inicial de la tensión debido a las pérdidas de activación de los electrodos, seguido de un aumento gradual de la tensión debido a las resistencias óhmicas. La tensión de la pila es de aproximadamente 1,71 V y la densidad de corriente de 2 A/cm^2.

Esta gráfica muestra la energía eléctrica consumida por el electrolizador. La energía eléctrica es mayor que la energía necesaria para producir hidrógeno debido a diferentes pérdidas. La diferencia es el calor disipado.

Esta gráfica también muestra la eficiencia térmica del electrolizador, que indica la fracción de la energía eléctrica utilizada para generar hidrógeno de acuerdo con el valor calorífico del hidrógeno. El electrolizador es eficiente aproximadamente al 87% y la densidad de corriente es de 2 A/cm^2.

Esta gráfica muestra la tasa de hidrógeno producido, la tasa de agua consumida en el ánodo, así como la tasa de agua transportada al cátodo debido a la dispersión, a la resistencia de la electroósmosis y a la diferencia de presión hidráulica. Como consecuencia, el paso de deshumidificación es necesario para producir hidrógeno con la pureza deseada.

Esta gráfica también muestra la masa total de hidrógeno producida y la energía equivalente de acuerdo con su mayor valor calorífico. Esto ofrece una indicación de la cantidad de energía disponible si se utiliza el hidrógeno para generar potencia en una pila de combustible.