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Système d'électrolyse à MEP

Cet exemple montre comment modéliser un électrolyseur d’eau à membrane échangeuse de protons (MEP) avec un bloc Simscape™ personnalisé. L’électrolyseur MEP consomme de l’électricité pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène. Le bloc personnalisé représente l’assemblage membrane-électrode (MEA). Il est connecté à un réseau de fluide thermique et à deux réseaux d’air humide distincts : le réseau de fluide thermique modélise l’alimentation en eau, le réseau d’air humide de l’anode modélise le flux d’oxygène et celui de la cathode modélise le flux d’hydrogène.

La pompe de circulation fournit un flux d’eau continu du côté de l’anode de l’électrolyseur. L’eau consommée est retirée du réseau de fluide thermique. L’eau excédentaire est réintroduite dans le circuit. L’oxygène produit à l’anode est emporté par le flux d’eau excédentaire. Il est modélisé séparément par le réseau d’air humide de l’anode. La cuve de séparation modélise la proportion d’eau et d’oxygène dans le flux de retour avant l’évacuation de l’oxygène. La pompe d’alimentation réapprovisionne le système en eau douce.

L’hydrogène produit côté cathode ainsi que l’eau éventuellement transportée à travers l’assemblage MEA sont modélisés par le réseau d’air humide de la cathode. Le déshumidificateur retire la vapeur d’eau indésirable de l’hydrogène. Une vanne de régulation de pression maintient une pression de 3 MPa à la cathode tandis que l’anode fonctionne sous pression atmosphérique. Cette différence de pression dans l’assemblage MEA entraîne un transfert d’eau par pression hydraulique qui aide à compenser la traînée électro-osmotique et réduit la quantité d’eau côté cathode.

Contrairement à un stack de piles à combustible, ce système ne nécessite pas de réseau de refroidissement distinct. La chaleur dissipée par l’électrolyseur est emportée par l’eau excédentaire puis rejetée dans l’environnement via l’échangeur de chaleur. L’eau réintroduite dans le circuit est contrôlée pour maintenir une température de 80 °C dans l’électrolyseur.

Le bloc MEA personnalisé est implémenté dans le code Simscape Electrolyzer.ssc. Le port de fluide thermique H2O sert à retirer l’eau du réseau de fluide thermique. L’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2) produits ainsi que l’eau (H2O) transportée sont ajoutés aux deux réseaux d’air humide avec les blocs Controlled Trace Gas Source (MA) et Controlled Moisture Source (MA). La chaleur excédentaire est envoyée via le port thermique H au bloc Thermal Mass connecté. Pour plus de détails sur l’implémentation, reportez-vous aux commentaires dans le code.

Explorez également l’exemple PEM Fuel Cell System.

Références :

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.

Modèle

Sous-système Anode Fluid Channels

Sous-système Cathode Gas Channels

Sous-système Dehumidifier

Sous-système Electrical Supply

Sous-système Heat Exchanger

Sous-système Hydrogen Output

Sous-système Recirculation

Sous-système Separator Tank

Sous-système Water Supply

Résultats de simulation générés par les blocs Scope

Résultats de simulation enregistrés par Simscape

Ce tracé représente la courbe courant-tension (i-v) et la puissance consommée par une cellule de la stack. Lorsque le courant augmente, une hausse de tension initiale se produit en raison des pertes d’activation des électrodes. Elle est suivie d’une augmentation progressive de la tension due aux résistances ohmiques. La tension de la cellule est d’environ 1,71 V pour une densité de courant de 2 A/cm^2.

Ce tracé représente la consommation électrique de l’électrolyseur. La puissance électrique est supérieure à celle requise pour produire l’hydrogène en raison de diverses pertes. La différence correspond à la chaleur dissipée.

Ce tracé représente également l’efficacité thermique de l’électrolyseur, c’est-à-dire la fraction de la puissance électrique utilisée pour générer l’hydrogène en fonction du pouvoir calorifique de ce dernier. Cet électrolyseur a une efficacité d’environ 87 % pour une densité de courant de 2 A/cm^2.

Ce tracé représente le débit massique de l’hydrogène produit, de l’eau consommée à l’anode et de l’eau transférée à la cathode en raison de la diffusion, de la traînée électro-osmotique et de la différence de pression hydraulique. En conséquence, une étape de déshumidification est nécessaire pour produire de l’hydrogène ayant la pureté souhaitée.

Ce tracé représente également la masse totale d’hydrogène produite et l’énergie équivalente d’après son pouvoir calorifique supérieur. Il donne ainsi une idée de la quantité d’énergie disponible si l’hydrogène est utilisé pour produire de l’électricité dans une pile à combustible.