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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。

电磁建模

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。”

Schaeffler fuel cell

舍弗勒K100 PEM电解槽堆栈

Electrolyzer fuel cell

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。

Chemical process

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。

Subcomponent analysis

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。

Temp distribution

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。”

Shape optimization

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。” 

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