Electrolyzer
Электрическая нагрузка для электролизера.
Описание
Блок Electrolyzer представляет электрическую нагрузку, связанную с электролизером. Электролизер состоит из анода и катода, разделенных электролитом. Блок рассчитывает количество произведенного водорода на основе предоставленной электрической энергии и температуры воды в резервуаре.
В электролизерах с полимерной электролитной мембраной (PEM) эти химические реакции определяют анодные и катодные преобразования:
Электролизер состоит из нескольких последовательно соединенных отдельных ячеек-электролизеров. Используйте параметр Assumption pH, чтобы моделировать зависимость от pH либо с постоянным pH.
Уравнения
Блок Electrolyzer рассчитывает электрическую мощность с помощью:
где – напряжение, а – полное сопротивление. Полное сопротивление, , определяется как:
где
-
– внешнее сопротивление;
-
– эта величина представляет собой резистивный член, полученный из площади поперечного сечения отверстия ( ), расстояния между анодом и катодом ( ) и удельного электрического сопротивления раствора .
Молярная энергия, запасенная в электрической нагрузке, обеспечивает процесс электролиза воды и рассчитывается по этому уравнению:
Для проведения электролиза электролизеру требуется минимальное количество энергии:
где
-
– энтальпия воды;
-
– энтропия реакции;
-
– температура воды;
-
– эталонная температура.
Если электрической энергии недостаточно для диссоциации воды, электролизер не производит водород. Поэтому в блоке Electrolyzer рассчитывается мольная скорость электрона, , и мольная скорость водорода, :
где
-
– постоянная Авогадро;
-
– энергия электрона;
-
– количество ячеек;
-
– зависящая от температуры эффективность электролиза.
Ток, протекающий через резервуар электролизера, вычисляется как:
где – постоянная Фарадея.
Блок Electrolyzer рассчитывает массовые доли потребляемой воды и вырабатываемого водорода с помощью этих уравнений:
где – молярная масса воды, а – молярная масса водорода.
Чтобы вычислить pH воды в резервуаре, блок использует
где:
-
улавливает плавающие в растворе гидроны ( ); -
– количество моль воды;
-
– объем;
-
– плотность воды в резервуаре.
Остаточные протоны в растворе внутри электролизера со временем естественным образом повышают pH и электропроводность воды в резервуаре. Увеличение электропроводности приводит к появлению убегающих электронов. Чтобы предотвратить такое явление, необходимо очистить воду в резервуаре, удалив из него весь объем и заполнив его чистой водой.
Порты
Ненаправленные
+ — положительный
электричество
Ненаправленный порт, связанный с анодом резервуара электролизера.
− — отрицательный
электричество
Ненаправленный порт, связанный с катодом резервуара электролизера.
Вход
purge — вход продувки
скаляр
Входной порт, связанный с продувкой, безразмерная величина. Этот сигнал позволяет заменить воду в резервуаре.
vol — объем воды, м^3
скаляр
Входной порт, связанный с объемом воды в баке электролизера, в м^3.
T — температура воды, K
скаляр
Входной порт, связанный с температурой воды, в К.
Выход
volPurging — объем очищенной воды, м^3
скаляр
Выходной порт, связанный с объемом воды, израсходованной на продувку, в м^3.
pH — pH воды
скаляр
Выходной порт, связанный с pH воды в резервуаре электролизера, безразмерная величина.
mdotH2 — массовый расход водорода, г/с
скаляр
Выходной порт, связанный с массовым расходом водорода, в г/с.
mdotH2O — массовый расход потребляемой воды, г/с
скаляр
Выходной порт, связанный с массовым расходом потребленной воды, в г/с.
Параметры
Main
Assumption pH — постоянный или динамический pH
Constant (по умолчанию) | Dynamic
Укажите, постоянный или динамический pH в резервуаре электролизера.
Resistance — внешнее сопротивление
10 Ohm (по умолчанию) | неотрицательный скаляр
Величина внешнего сопротивления.
Cross-sectional transport area — площадь поперечного сечения отверстия
0.04 m^2 (по умолчанию) | положительный скаляр
Площадь попереченого сечения, перпендикулярного вектору, соединяющему анод и катод. Положительно заряженные ионы перемещаются по этой области от анода к катоду, где они восстанавливаются и образуется водород.
Distance anode-cathode — расстояние между анодом и катодом
0.01 m (по умолчанию) | положительный скаляр
Расстояние между анодом и катодом, погруженными в электролитический раствор.
Number of cells — количество ячеек
50 (по умолчанию) | положительный скаляр
Количество ячеек в электролизере.
Initial pH — начальный pH
0 (по умолчанию) | скаляр
Начальное значение pH воды в резервуаре.
Constant pH — постоянный pH
6 (по умолчанию) | скаляр
Постоянное значение pH воды в резервуаре.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Assumption pH значение Constant.
pH vector, pH_vec — вектор pH
[5, 5.5, 6, 6.5, 7] ( по умолчанию) | вектор строк положительных скаляров
Вектор значений pH. Этот параметр должен иметь такое же количество элементов, как и вектор значений параметра Electrical resistivity vector, rho_vec.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Assumption pH значение Dynamic.
Electrical resistivity vector, rho_vec — вектор значений электрического сопротивления
[.2, .75, 2.5, 8, 18.2] MOhm*cm (по умолчанию) | вектор скаляров`
Вектор значений электрического сопротивления. Этот параметр должен иметь то же количество элементов, что и вектор значений параметра pH vector, pH_vec.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Assumption pH значение Dynamic.
Temperature vector for efficiency, T_vec — температурный вектор эффективности
[273.0, 298.0, 323.0, 348.0, 373.0] K (по умолчанию) | вектор скаляров
Вектор температур для определения эффективности электролиза. Этот параметр должен иметь такое же количество элементов, что и параметр Electrolysis efficiency vector, efficiency(T).
Electrolysis efficiency vector, efficiency(T) — вектор эффективности электролиза
ones(5)(по умолчанию) | вектор скаляров
Вектор значений эффективности электролиза. Этот параметр должен иметь то же количество элементов, что и параметр Temperature vector for efficiency, T_vec.