PEM 電解システム

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この例では、プロトン交換膜 (PEM) 水電解槽をカスタム Simscape™ ブロックでモデル化する方法を示します。PEM 電解槽では、電力を消費して水を水素と酸素に分解します。カスタムブロックは膜電極接合体 (MEA) を表し、熱流体ネットワークと 2 つの別々の湿り空気ネットワークに接続されています。熱流体ネットワークで給水、アノード湿り空気ネットワークで酸素の流れ、カソード湿り空気ネットワークで水素の流れをモデル化しています。

循環ポンプにより、電解槽のアノード側に連続した水の流れが供給されます。消費された水は熱流体ネットワークから除去され、余剰水は再循環されます。アノードで生成された酸素は余剰水の流れによって運び出されます。これは、アノード湿り空気ネットワークで別途モデル化されています。分離器槽は、酸素が排出されるまでの再循環の流れにおける水と酸素のバランスをモデル化したものです。供給ポンプにより、システムに真水が補充されます。

カソード側で生成される水素は、MEA で移送された水と共にカソード湿り空気ネットワークでモデル化されています。除湿器により、水素から不要な水蒸気が除去されます。アノードの大気圧に対し、カソードの圧力は圧力調整バルブによって 3 MPa に維持されます。MEA の差圧によって生じる油圧を利用した水の移送により、電気浸透抵抗が抑制され、カソード側の水の量が節減されます。

燃料電池スタックとは異なり、独立した冷却ネットワークは必要ありません。電解槽から放散される熱は余剰水によって運び出され、熱交換器を通じて環境に放出されます。電解槽内の温度が摂氏 80 度を維持するように再循環水が制御されます。

カスタム MEA ブロックは Simscape コード Electrolyzer.ssc で実装されます。熱流体端子 H2O を使用して、熱流体ネットワークから水が除去されます。生成された H2 と O2 および移送された H2O は、Controlled Trace Gas Source (MA) ブロックと Controlled Moisture Source (MA) ブロックを使用して 2 つの湿り空気ネットワークに追加されます。余剰熱は熱端子 H を経由して、接続されている Thermal Mass ブロックに送られます。実装の詳細については、コード内のコメントを参照してください。

PEM 燃料電池システムの例も参照してください。

参考文献:

Liso, Vincenzo, et al. "Modelling and experimental analysis of a polymer electrolyte membrane water electrolysis cell at different operating temperatures."Energies 11.12 (2018): 3273.

Mo, Jingke, et al. "Thin liquid/gas diffusion layers for high-efficiency hydrogen production from water splitting."Applied Energy 177 (2016): 817-822.