Modéliser les courants de fuite dans des stacks d’électrolyseurs alcalins

Les électrolyseurs d’eau alcalins peuvent produire de l’hydrogène sans émissions en utilisant la séparation électrochimique de l’eau. Même si ce procédé pourrait contribuer à réduire les niveaux de carbone dans le monde en produisant de l’hydrogène propre, cet hydrogène serait toujours plus cher que des combustibles fossiles. Pour réduire les coûts de production de l’hydrogène, les électrolyseurs doivent être utilisés le plus efficacement possible, et doivent continuer à fonctionner le plus longtemps possible. Un phénomène qui limite l’efficacité et la durée de vie d’un stack est l’apparition de courants de fuite parasites. Dans cet article de blog, nous allons découvrir comment la modélisation d’un stack d’électrolyseur alcalin permet de mieux comprendre les courants de fuite parasites qui peuvent se manifester au cours de son fonctionnement.

Produire de l’hydrogène propre avec des électrolyseurs alcalins

Les électrolyseurs d’eau, lorsqu’ils sont utilisés avec de l’électricité provenant de ressources renouvelables, peuvent être complètement exempts d’émissions, produisant alors de l’hydrogène “vert”. Les électrolyseurs d’eau alcalins représentent la majeure partie de la capacité d’électrolyseurs d’eau installée dans le monde, et sont généralement constitués d’un grand nombre de répétitions de cellules composées d’une anode, d’un séparateur et d’une cathode, qui ensemble forment un stack. Dans ce stack d’électrolyseur alcalin, l’ensemble des cellules partagent le même électrolyte.

Les cellules étant toutes en contact ionique, des courants de fuite parasites peuvent circuler entre elles, à travers les collecteurs et les canaux d’électrolytes au niveau des zones d’entrée et de sortie. Ces courants de fuite parasites peuvent réduire l’efficacité énergétique et engendrer de la corrosion. La modélisation peut être utilisée pour visualiser ces courants de fuite dans un stack d’électrolyseur d’eau alcalin typique, et mettre en lumière les points forts et les limites de la conception des électrolyseurs.

Un modèle d’électrolyseur alcalin, constitué de 20 cellules individuelles.

Découvrir un modèle d’électrolyseur d’eau alcalin

Le modèle Shunt Currents in an Alkaline Water Electrolyzer Stack est implémenté à l’aide du module Fuel Cell & Electrolyzer, un produit complémentaire de la plateforme logicielle COMSOL Multiphysics^®. Pour respecter les matériaux couramment utilisés, cet exemple a des plaques terminales et des plaques bipolaires en acier, et de l’hydroxyde de potassium 6N comme électrolyte. Les surfaces de l’électrode sont modélisées en utilisant les expressions cinétiques de Butler–Volmer. Les pertes ohmiques des électrodes et de l’électrolyte sont prises en compte, tandis que l’on néglige l’effet limitant du transport de matière en phase gazeuse. Le modèle est isotherme, le stack opérant à une température de 85°C, et les équations du modèle sont résolues en utilisant un balayage de paramètres, qui fait varier le potentiel moyen de la cellule de 1.3 V à 1.8 V. Le procédé de séparation électrochimique de l’eau fait intervenir deux réactions de demi-cellule distinctes: la réaction d’évolution de l’hydrogène à la cathode et la réaction d’évolution de l’oxygène à l’anode.

Cellule unitaire répétée. Mise à l’échelle dix fois dans la direction x.

Bien qu’un certain nombre d’indicateurs de performance des piles à combustibles et électrolyseurs puissent être étudiés sur une cellule unitaire, il y a des circonstances dans lesquelles construire un modèle du stack complet est la seule approche permettant de fournir une vue complète de ses performances. C’est le cas présent, étant donné que la distribution des courants de fuite varie à travers les différentes cellules du stack. Le modèle de stack de cet exemple est constitué de 20 cellules et permet d’acquérir une connaissance approfondie des effets potentiels que peuvent avoir les courants de fuite sur le design global.

Résultats de la modélisation

Les résultats de la simulation montrent qu’une conductivité effective de l’électrolyte plus basse, due à une composition relativement haute en gaz, au niveau des canaux d’entrée (en haut) génère des courants de fuite moins importants pour les canaux de sortie comparés aux canaux d’entrée. Nous pouvons également voir que les courants de fuite sont plus prononcés vers la fin du stack, et que des potentiels de stack plus élevés résultent généralement en des courants de fuite plus importants.

Le potentiel de l’électrolyte dans le stack, et les lignes de courant de l’électrolyte correspondantes dans les canaux d’entrée et de sortie et les collecteurs, pour un potentiel moyen de cellule de 1.8 V.

Il existe plusieurs façons de définir l’efficacité énergétique d’un électrolyseur d’eau alcalin. Dans cet exemple, nous basons la mesure de l’efficacité sur l’énergie libre de Gibbs de l’hydrogène produit, et nous définissons l’efficacité comme l’énergie maximale (par unité de temps) réalisable, qui pourrait être produite dans une pile à combustible opérant dans les mêmes conditions, divisée par l’énergie électrique requise pour la produire dans le stack. Le modèle montre que l’efficacité énergétique augmente d’abord jusqu’à un maximum autour de 1400 A, résultant de l’augmentation de l’efficacité de l’effet de Coulomb, puis décroît du fait de l’augmentation du potentiel du stack à des courants plus forts.

Lancez-vous!

Vous voulez jeter un oeil au modèle d’électrolyseur d’eau alcalin vous-même? Le fichier MPH et les instructions pas à pas sont disponibles dans la Bibliothèque d’applications.