ANSYS 部落格
November 22, 2023
模擬讓我們能夠想像氫能動力的未來
世界各國領導人為實現 2050 年全球脫碳，制定了雄心勃勃的目標，而這是有充分原因的。地球溫度持續上升，全球能源消耗也日益增加，而 目前大部分的能源消耗是來自於化石燃料。這個殘酷的事實激勵了一波減碳趨勢的興起，其中包括使用可再生能源生成的綠色氫氣。
為什麼選擇氫？這是宇宙中最輕的化學元素 (也是含量最多的元素)，並且有成為未來經濟燃料的潛力。此外，綠氫在燃燒時不會排放 CO2 ；它會產生水，因此它不會導致氣候變化。氫氣的多功能性，使其成為許多應用領域的絕佳化石燃料替代品，包括工業運輸、鋼鐵或混凝土生產、食品加工以及使用氫燃料電池為動力的車輛。
Schaeffler 正在研究在綠氫能源鏈兩端使用的技術—質子交換膜水電解 (PEMWE) 進行氫氣生產，在使用可再生能源時具有優勢，及透過氫氣消耗產生電力的燃料電池。Schaeffler 持續利用他們在這個領域的專業知識，開發跨越各種學科和部門的技術，包括用於汽車和能源行業的PEMWE電堆和燃料電池，並借助Ansys模擬軟體進行開發。
最終，透過結合 Schaeffler 的 Forming 能力與 Ansys 的流程最佳化，可以開發出包含最佳化雙極板結構的優異電堆硬體，從而促進高效的氫生產。
Schaeffler Technologies 氫模擬方法專家 Pavlo Lyubarsky 表示：「我們特別專注於使用 Ansys 模擬技術來開發和提升電解槽的性能，以預測與工業系統相關的產品行為。」「對我們來說，模擬是一種『數位放大鏡』，因爲它能提高效率，並提供無法從經驗評估和實驗中獲得的見解。」
Schaeffler K100 PEM 電解槽電堆
Schaeffler PEM 電解槽電堆產品組合
電解見解帶來永續的解決方案
氫氣是在電解過程中提取的，這個過程通過電流將液態水分解成氫氣和氧氣。它用於PEM水電解器中，生產的氫氣進入各種移動應用，如卡車或火車，同時也應用於工業應用中。氫氣也可以用於金屬的傳統熱處理，但它還在綠色鋼鐵生產過程中作為還原劑找到了新的應用，從而取代煤炭和化石燃料。
Schaeffler 在電堆開發過程中分析 PEMWE，以便在數值模型限制內更好地理解氫生產過程中的電解槽效能。必須非常小心地簡化這些模型，以避免粗劣的見解和不良的設計結果。正確定義的模擬模型和準確設定的邊界條件，使 Schaeffler 能夠評定擬議的設計、評估 PEM 電池和整個電堆的壓降、估算溫度分布並識別熱點。這項活動減少了研究與開發時間和營運成本，最終有助於生產出更好的產品。
PEM 電解制氫原理
瞭解 PEM 電解電池中的電化學
在產品分析過程中，Schaeffler 所關注的一個重點就是瞭解 PEM 的活動狀況。在 PEM 電解過程中，當水分子分解時，氫和氧之間會發生交換，在這個過程中，PEM 對氫離子具有導電性。然而，由於薄膜兩側的高壓，確實會發生一些變化，電解過程中使用的一些水與氫質子重新結合，阻礙了分離過程。這是電解過程中不可避免的一部分，會導致最終產品中的氫/氧不平衡。
該團隊使用 Ansys Fluent 算流體動力學模擬軟體，測量作為電解副產物的氫氧比例，若超過特定裕度，則停止測試。該項分析只是 Schaeffler 測量的重要安全參數之一，它涉及在細胞膜另一側重複的活動，以確定是否超過安全閾值。
在 Fluent 中所形成的雙極板子部分中的水流場。此圖顯示出水流速度分布。
利用共軛傳熱分析 (CFD-CHT)，使用 Fluent 對整個電池尺度上的詳細熱特性進行建模。圖中描繪了電池橫截面的溫度分布，並突顯出中間的熱觸媒塗佈薄膜。
模擬激發更多徹底探討...
在對電解槽的設計進行初步分析後，有時仍對於其應用範圍存在疑問。例如，電化學物質的耦合以及多相方面，可能需要透過模擬進行進一步的深入的研究，以擴大電解槽的功率範圍。
團隊使用 Ansys 軟體的各種模擬工作流程來解答許多關鍵問題，包含如何辨別對氫生產最具影響力的參數。接著，這種評估可以近一步最佳化其他相關問題，例如細胞壁厚度、給水溫度或出水溫度。並且，如果有冷卻迴路，那溫度流入和流出之間的邏輯相關性應該是什麼。換句話說，能源效率不僅是透過潛心設計實現，還需要藉由正確的操作策略評估來達到，尤其是在動態應用中。
Schaeffler Technologies 資深專家 Kay Juckelandt 表示：「我們模擬了一些在系統內部無法看到的因素，例如進水口與出水口溫度，以及任何局部熱點。」「我們也會測量所有壓力，並持續測量水的純度，因為如果水中含有離子，電堆內部可能會腐蝕，進而導致產品故障。我們通常無法測量這些和其他局部效應，但可以透過模擬進行觀察。這是我們以前無法實現，或是只有付出巨大努力才能實現的一項益處。」
圖像顯示形成的雙極板給水流場。使用 Fluent 的伴隨求解器進行流場結構的最佳化研究，以改善液壓設計。
透過 Ansys 提供資訊並獲得相關資訊
Schaeffler 團隊非常感謝 Ansys 所提供的支援。這種支援對於改善後處理的 CFD 方面尤其重要，透過更好地瞭解服務功能和使用者介面，可以節省關鍵的開發時間。
Lyubarsky 表示：「我非常喜歡 Ansys 模擬軟體的一點是，Ansys 產品涵蓋的物理範圍非常廣泛。」「我們能夠在這裡建立一個整合的工具鏈，協助我們有效率地向設計人員提供方針，並交付成果以改善產品。Ansys 產品系列基本上涵蓋了我們所需的一切，具有足夠的準確性和效率，可以簡化分析，讓客戶從中受益。」