Les électrolyseurs alcalins produisent la majorité de l’hydrogène propre mondial. La modélisation et la simulation aident les ingénieurs à mieux comprendre les électrolyseurs alcalins en permettant de mieux appréhender les différents phénomènes de transport d’espèces et de réactions électrochimiques, ainsi que des paramètres de conception et de fonctionnement. Dans cet article de blog, nous examinerons un modèle d’électrolyseur à eau alcalin et nous montrerons comment utiliser le logiciel COMSOL Multiphysics® pour examiner différents aspects du modèle, y compris la distribution de courant et les champs de température.
L’utilisation de l’Hydrogène Vert dans l’Industrie
Concernant la production d’hydrogène propre, ou « hydrogène vert », les électrolyseurs alcalins sont les plus courants en raison de la simplicité avec laquelle ils peuvent être mis en oeuvre (en grande partie grâce à un équipement de production simple et à un électrolyte stable et non corrosif) et de leurs matériaux peu coûteux par rapport à d’autres types d’électrolyseurs. Ces dispositifs sont d’autant plus intéressants qu’ils peuvent tolérer la présence d’une plus grande variété d’impuretés dans l’alimentation d’eau, en comparaison aux autres types d’électrolyseurs.
Toutefois, dans l’industrie de l’hydrogène, si les électrolyseurs sont actuellement le premier choix pour la production d’hydrogène vert, l’hydrogène vert ne représente que moins de 1 % de toute la production d’hydrogène, comparé à la production d’autres types d’hydrogène, moins durables. La raison pour laquelle la production d’hydrogène par électrolyse est relativement faible est que ses coûts d’investissement et d’exploitation sont plus élevés que ceux des procédés de vaporéformage de méthane. Les coûts d’exploitation dépendent grandement du coût de l’électricité, ce qui signifie que dans certains pays où le coût de l’électricité est faible, l’électrolyse est une technologie plus compétitive. Les coûts d’investissement peuvent être réduits en fonction du volume de production, si la technologie est davantage utilisée. La modélisation et la simulation sont utilisées pour étudier et optimiser la conception et les conditions opératoires afin de réduire la consommation d’énergie électrique dans le processus. La modélisation et la simulation réduisent également le besoin de prototypage en laboratoire, sur site et à plus grande échelle, ce qui réduit les coûts de recherche et, en fin de compte, le coût total d’investissement.
Etude d’un exemple de modèle Zero-Gap
Ce modèle est mis en place à partir du module Fuel Cell & Electrolyzer, un add-on de COMSOL Multiphysics. Le modèle est appelé “Two-Phase Nonisothermal Zero-Gap Alkaline Water Electrolyzer” et il est disponible dans la Bibliothèque d’Applications de ce module. Le but de ce modèle est d’analyser comment la distribution de courant et les champs de température dans la cellule électrolytique sont impactés par la distribution des bulles de gaz dans l’électrolyte.
La géométrie correspond à un élément unitaire d’un stack d’électrolyseurs, composé de deux cellules électrolytiques séparées par une plaque bipolaire ondulée qui s’étend sur 10 cm le long du canal. Le modèle comporte un électrolyte d’hydroxyde de potassium (KOH – 6M), et les électrodes poreuses de diffusion de gaz (GDE) sont plaquées contre le diaphragme. (Une description plus approfondie de la configuration du modèle est disponible dans la documentation du modèle, accessible via le lien situé à la fin de cet article de blog).
A gauche : coupe transversale d’une cellule unitaire du modèle d’électrolyseur alcalin. A droite : en extrudant et en symétrisant la section, nous pouvons voir comment la géométrie est représentative d’une cellule unitaire d’un stack. Un empilement dans la direction verticale permet de recréer un stack.
Le motif géométrique est répété dans la direction verticale en utilisant des conditions périodiques et il est symétrisé dans la direction horizontale en utilisant des conditions de symétrie; voir les schémas ci-dessus. Dans le motif géométrique, nous avons trois domaines de diaphragmes : un placé au milieu de la cellule, un en bas et un en haut. Les diaphragmes du haut et du bas ont la moitié de l’épaisseur de celui du milieu; l’empilement fait que le diaphragme du milieu a une épaisseur entière. Les plaques bipolaires ondulées séparent les canaux de gaz-électrolyte pour l’oxygène et l’hydrogène, respectivement. Elles permettent également de maintenir les électrodes d’oxygène, les diaphragmes et les électrodes d’hydrogène dans les zones d’espacement minces entre deux plaques. Les électrodes d’oxygène et d’hydrogène sont des GDE, ce qui signifie que les réactions électrochimiques sont réparties le long de l’épaisseur des électrodes, en fonction des cinétiques de réaction à l’électrode et de la conductivité de l’électrolyte dans les pores.
L’objectif d’un tel design est d’éviter l’attraction de gaz à l’intérieur des GDE, afin que le gaz produit à la surface des électrodes s’échappe aussi vite que possible des électrodes et du diaphragme. Étant donné que les bulles de gaz ont tendance à recouvrir la surface de l’électrode, le fait de les évacuer dès qu’elles se forment permet de libérer la surface pour le passage du courant électrique, ce qui abaisse le surpotentiel d’activation (et réduit la consommation électrique). De plus, les bulles piégées à l’intérieur de l’électrode et comprises entre l’électrode et le diaphragme réduisent la conductivité et le réapprovisionnement d’électrolyte, ce qui augmente encore plus le surpotentiel ohmique et le surpotentiel de concentration (et augmente donc la consommation d’énergie). Dans ce modèle, on ne prend pas en compte l’effet d’occupation des bulles à la surface des électrodes et la concentration de l’électrolyte est supposée constante. L’effet restant qu’on modélise est donc la réduction de la conductivté par les bulles de gaz au niveau de l’électrolyte interstitiel dans les GDE, augmentant ainsi le surpotentiel de l’électrode.
Le modèle d’électrolyseur alcalin, montrant les lignes de courant des gazs et les isosurfaces de teneur en gaz dans les canaux d’écoulement. On y voit également les plaques bipolaires ondulées qui séparent les canaux de gaz et d’électrolyte pour l’hydrogène et l’oxygène, respectivement (à comparer avec l’image de gauche de la première illustration).
Exploitation des résultats
La résolution des équations du modèle permet d’obtenir une multitude de graphiques au fur et à mesure que l’hydrogène et l’oxygène sont produits. Afin de mieux comprendre l’impact des conditions opératoires et du design, différents graphiques peuvent être créés pour repésenter par exemple les quatre effets suivants :
- Fraction volumique de gaz dans les canaux d’électrolyte
- Fraction volumique de gaz dans l’électrolyte contenue dans les pores des électrodes
- Distribution de la densité de courant dans le diaphragme
- Distribution de la température dans la cellule
Sur les graphiques ci-dessous, la tension de la cellule est de 2.1 V, tandis que la densité de courant moyenne est de environ 4.2 A/cm2.
En haut à gauche: la teneur en gaz dans les canaux de gaz et d’électrolyte. En haut à droite: la teneur en gaz dans les GDEs d’hydrogène et d’oxygène. En bas à gauche: la distribution de courant dans le diaphragme. En bas à droite: la distribution de température.
Dans le graphique représentant la teneur en gaz dans les canaux d’écoulement (en haut à gauche), on peut voir que la teneur en gaz est plus élevée dans les canaux d’hydrogène, puisque deux molécules d’hydrogène sont produites pour chaque molécule d’oxygène lors de l’électrolyse (deux électrons par molécule d’hydrogène et quatre électrons par molécule d’oxygène). La teneur en gaz dans les canaux augmente de l’entrée à la sortie, comme attendu.
Dans le graphique de teneur en gaz des GDEs, nous pouvons voir que le gaz est piégé dans les zones situées entre plaque bipolaire et diaphragme, tandis que le gaz est éliminé efficacement dans les zones de GDE situées au niveau des canaux d’écoulement. Cela signifie que nous pourrions envisager de rendre les plaques bipolaires plus resserrées avec plus d’ondulations sur la largeur afin de raccourcir le chemin vers les canaux d’écoulement, où le gaz peut quitter la cellule.
Le graphique de la densité de courant (en bas à gauche) reflète la teneur en gaz dans les GDEs. Ici, nous pouvons voir que la densité de courant est plus élevée au niveau des canaux d’écoulement, où la teneur en gaz dans les GDE est plus faible. Le gaz piégé dans les GDEs conduit à une densité de courant plus faible, puisqu’il réduit la conductivité de l’électrolyte dans les pores. Cet effet est cependant assez faible. Dans le modèle, on ne prend ni en compte l’effet des bulles de gaz recouvrant les surfaces actives, ni le réapprovisionnement en électrolyte. Si ces effets étaient pris en compte, la distribution de la densité de courant serait plus irrégulière.
Le graphique de température en bas à droite montre que la température augmente dans la direction d’écoulement, de l’entrée vers la sortie. La température est également plus élevée dans les GDEs et les diaphragmes, en raison de l’effet Joule qui est plus important dans les diaphragmes et dans l’électrolyte des pores (conductivité électrique faible), et aussi en raison de la faible dissipation de chaleur des GDEs et des membranes.
Ces résultats illustrent les simulations que les ingénieurs et scientifiques pourraient mettre en oeuvre afin de mieux comprendre comment les performances d’une cellule peuvent être impactées par les différents paramètres géométriques et les conditions opératoires. Comme indiqué précédemment, le modèle présenté ici pourrait être enrichi afin de tenir compte de la composition de l’électrolyte et de l’effet de recouvrement des surfaces actives par les bulles de gaz.
Lancez-vous!
Intéressé par réaliser vous-même ce modèle d’électrolyseur alcalin? Le fichier MPH et les instructions pas à pas sont disponibles dans la Bibliothèque d’applications.
Pour aller plus loin
Dans cet article de blog, nous nous sommes concentrés sur un électrolyseur alcalin Zero Gap, mais il ne s’agit que d’une application parmi d’autres dans le domaine de la production d’hydrogène. Découvez d’autres scénarios de simulation en lien avec la production et l’utilisation d’hydrogène sur le Blog COMSOL:
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