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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。

EM 建模

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 fuel cell

Schaeffler K100 PEM 電解槽電堆

Electrolyzer fuel cell

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。

Chemical process

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。

Subcomponent analysis

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。

Temp distribution

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。」

Shape optimization

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。」 

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