Computational fluid dynamics simulation of a proton exchange membrane electrolyzer

Abstract

The transition of the global energy sector from fossil fuels towards renewable-based energy systems necessitates development of methods and technologies to perform as energy storages and produce energy carrier mediums. Hydrogen in particular has been discussed as a potential energy carrier medium, which is produced by electrolyzers, devices which dissect water into their atom components of hydrogen and oxygen. The design of electrolysis devices often requires careful planning in the design phase, as the costs of the technology can be quite severe for the emerging technology. The design can be assisted with computational fluid dynamics, which has also developed new methods for electrolysis simulation in the recent years.

This master’s thesis investigated academic literature for recent methods, simplifications and developments of electrolyzer simulations in academic circles. Based on the observations made during the literature review, a three-dimensional straight channel proton exchange membrane electrolyzer was simulated using the commercial ANSYS® package. The results of the simulations were compared against measured performance data and were discovered to be in good agreement. Current density distribution in the electrolyzer cell was studied across three select voltages of 1,535 V, 1,656 V, and 1,746 V, alongside flow velocity patterns, hydrogen volume fraction patterns and effects turbulence. Additionally, the effect of increasing and decreasing the thickness of the membrane of the electrolyzer cell was studied. It was discovered that reducing the membrane thickness from 50 µm to 30 µm increased the performance of the cell, with a voltage of 1,702 V producing current density value of 1,03 A/cm² for the 30 µm thick membrane, whereas the 50 µm thick membrane cell produced current density value of 0,82 A/cm².

Globaalin energiasektorin siirtymä fossiilisten polttoaineiden käytöstä uusiutuviin energialähteisiin vaatii uusien teknologioiden ja metodien kehittämistä, jotka voivat toimia energiavarastoina ja sekundaaristen energialähteiden tuottajina. Puheenaiheena on ollut erityisesti vety, jota tuotetaan elektrolysaattorilla jakamalla vesimolekyylit niiden atomikomponetteihin: vetyyn ja happeen. Elektrolysaattorilaitteiden rakentaminen vaatii usein tarkkaa ja huolellista arviointia suunnitteluvaiheessa, koska tuoreen teknologian kustannukset voivat olla suuret. Laitteen suunnittelua voi avittaa laskennallisella virtausmekaniikalla, johon on myös kehitetty lähivuosina uusia metodeja elektrolyysin mallintamiseen.

Tässä diplomityössä tutkittiin akateemisessa kirjallisuudessa elektrolyysin mallintamiseen käytettyjä metodeja, yksinkertaistuksia ja kehityksiä. Kirjallisuuskatsauksesta poimittujen havaintojen avulla muodostettiin kolmiulotteinen laskennallinen virtaussimulaatio protoninvaihtokalvo-elektrolysaattorista suorilla virtauskanavilla käyttäen kaupallista ANSYS®-ohjelmistopakettia. Simulaation tuloksia verrattiin mitattuun suorituskykydataan, joiden todettiin olevan hyvässä linjassa tulosten kanssa. Virrantiheyttä tutkittiin kolmessa valitussa jännitteessä, jotka olivat 1,535 V, 1,656 V, and 1,746 V. Virrantiheyden lisäksi samoissa jännitteissä tutkittiin virtausnopeuden kuvioita, vedyn tilavuusosuuksia, ja turbulenssin mallintamisen vaikutusta. Lisäksi työssä tutkittiin kalvonpaksuuden muutoksen vaikutusta elektrolysaattorin toimintaan. Tulosten perusteella kalvon paksuuden laskeminen 50 µm:sta 30 µm:n kasvatti laitteen suorituskykyä: 1,702 V:n jännitteellä simulaatio tuotti 1,03 A/cm² virrantiheyden arvon 30 µm paksulla kalvolla, kun taas vastaavalla jännitteellä simulaatio tuotti 0,82 A/cm² virrantiheyden alkuperäisellä 50 µm paksulla kalvolla.