Ansys博客
November 22, 2023
仿真助力缔造氢动力未来
世界领导人设定了到 2050 年实现全球脱碳的宏伟目标，这是有充分理由的。地球在持续变暖，而全球能源消耗仍在上升，其中大部分能耗目前来自化石燃料。这一事实掀起了一轮响应脱碳的浪潮，其中包括使用可再生能源生产的绿色环保氢能的方案等。
为什么选择氢能？它是宇宙中最轻、含量最丰富的化学元素，因此具有成为未来经济燃料的潜质。此外，绿色环保氢能燃烧时不会排放CO2，而是会产生水，因此不会导致气候变化。氢能的用途广泛，在许多应用领域（包括工业交通、钢铁或混凝土生产、食品加工以及氢燃料电池提供动力的车辆等）其都是优异的化石燃料替代品。
舍弗勒将目光投向绿色环保氢能源链路两端的技术——质子交换膜水电解（PEMWE）制氢（使用可再生能源制氢时该技术具有优势），以及通过氢能发电的燃料电池。舍弗勒不断利用其在该领域的专业技术，在Ansys仿真软件的帮助下，为汽车和电力行业开发各种跨学科、跨部门的技术，其中包括PEMWE堆栈和燃料电池等。
最后，将舍弗勒的成形能力与Ansys的流体优化相结合，可开发出高级堆栈硬件，容纳优化双极板结构，以推动高效制氢的发展。
舍弗勒科技公司（Schaeffler Technologies）的氢仿真方法专家Pavlo Lyubarsky指出：“我们尤其专注于通过在产品表现预测中使用Ansys仿真，以开发并提高我们的电解槽性能，因为它与工业系统息息相关。仿真对我们来说是一个‘数字放大镜’，其不仅可实现更高的效率，而且还可提供无法从经验评估及实验中获得的深度信息。”
舍弗勒K100 PEM电解槽堆栈
舍弗勒PEM电解槽堆栈产品系列
电解深度信息带来可持续解决方案
氢气可以通过电解过程被提取，电解是一个通过电流将液态水分解为氢气和氧气的过程。电解在PEM水电解槽发生，产生的氢气可用于卡车或火车等各种移动应用以及工业应用。氢气还可用作金属传统热处理的燃料，此外，还有新的应用，比如在钢材绿色环保生产过程中用作还原剂，从而可取代煤炭和化石燃料。
舍弗勒在堆栈开发过程中分析PEMWE，以更好地了解电解槽在数值模型限制范围内的制氢过程中的性能。他们必须谨慎地简化这些模型，才能避免出现错误的深度信息和不良的设计结果。正确定义的仿真模型和准确设置的边界条件，有助于舍弗勒评估推荐的设计以及PEM单元及整个堆栈中的压降，估算温度分布并识别热点。这项工作可减少研发时间和运营成本，最终有助于带来更好的产品。
PEM电解制氢的原理
了解PEM电解槽的电化学
舍弗勒在产品分析过程中的一项重点是，了解整个PEM发生的活动。在PEM电解过程中，当水分子分裂时，在氢和氧之间出现的交换过程中，PEM会为氢离子带来导电性。但因膜两侧的高压，确实会出现一些交叉现象，其中电解过程中使用的一些水会和氢质子重新组合，阻碍分离过程。这是电解不可避免的现象，其将在最终产品中导致氢氧不平衡。
该团队使用Ansys Fluent计算流体力学仿真软件测量作为电解副产物的氢氧比值，如果超出特定阈值，则停止测试。该分析只是舍弗勒测量的重要安全参数之一，用于测量在膜另一侧发生的重复活动，以确定其是否已超过安全阈值。
通过Fluent制成的成形双极板子截面中的水流场。图片中显示了水速分布。
Fluent建模：利用共轭传热分析（CFD-CHT）对全电池尺度的详细热特征建模。该图不仅显示了整个电池横截面的温度分布，而且还重点显示了中间的热CCM。
仿真激发更深入的研究……
在对电解槽的设计进行初步分析后，有时仍然存在有关其应用范围的未决问题。例如，可能需要通过仿真，对电化学物质的耦合以及多相方面进行进一步的深入研究，才能扩展电解槽的能效范围。
该团队利用Ansys软件执行了多项仿真工作流程，解决了大量重要问题，其中包括如何识别最具影响力的制氢参数。在上述评估之后，可能会需要围绕其它问题进行进一步优化，例如电池壁的厚度、进水温度或出水温度。以及，如果存在冷却回路，温度流入流出间的逻辑关联应该是什么。换言之，实现高能效的方法不只是依靠精心设计，还要有正确评估运营战略，尤其是在动态应用中。
舍弗勒科技公司高级专家Kay Juckelandt表示：“我们可以对系统内部看不到的因素进行仿真，例如进水口和出水口温度等，其中包括所有局部热点。此外，我们还可测量所有压力并不断测量水的纯度，因为如果水中有离子，堆栈内部可能就会出现导致产品问题的腐蚀。我们通常无法测量出各种各样的局部效应，但可通过仿真来观察。这是我们以前无法实现、或者说是需要付出巨大努力才能实现的一大优势。”
图中是形成的双极板的进水流场。使用Fluent的伴随求解器对流动结构进行优化研究，以改进液压设计。
通过Ansys实现有效沟通
舍弗勒团队非常感谢Ansys对他们的支持。这些支持对于改进CFD后处理尤为重要，Ansys通过更好地提供服务功能和用户界面，为舍弗勒节省了宝贵的开发时间。
Lyubarsky道：“我特别喜欢Ansys仿真软件的一大原因是，Ansys产品涵盖的物理场范围非常广泛。我们能够在这里建立一个集成的工具链，这有助于我们高效地为设计师提供指导，并提供改进产品所需的信息。Ansys产品系列基本上涵盖了我们所需的一切工具，具有足够的准确性和效率，从而简化了分析过程，使客户从中获益。”