Hybrid multi-scale multiphase flow modeling in proton exchange membrane electrolyzers for green hydrogen production

Abstract

Neste estudo, é apresentado um modelo abrangente de escoamento multifásico 3D para o lado anódico de um eletrólito de membrana de troca protônica (PEM) para a produção de hidrogênio verde. Este modelo incorpora vários fatores cri´ticos, como a reação eletroqui´mica na camada catalisadora, a porosidade e a pressão capilar na camada de transporte poroso, além da formação de bolhas nos canais de escoamento. Desenvolvido com o software de dinâmica de fluidos computacional OpenFOAM, o modelo representa um avanço significativo na simulação e análise da dinâmica complexa intri´nseca à operação da eletrólise PEM. Uma nova técnica hi´brida geral de múltiplas escalas, que implementa capacidades de captura de interface dentro da estrutura do modelo de dois fluidos, é empregada para capturar com precisão as interfaces em grande e pequena escala entre a água fornecida e o oxigênio gerado. Esta técnica facilita a previsão adequada da distribuição de gás e das morfologias no lado anódico do eletrólito, essencial para compreender o desempenho geral. Ela opera com base em uma abordagem de múltiplos campos que associa uma fase numérica a cada possi´vel morfologia fi´sica de fase, modelando a transferência entre morfologias com base em valores de limite de fração volumétrica. Um indicador de sub-resolução e a formulação do modelo adaptativo de arrasto permitem que cada fase numérica seja tratada com equações de fechamento especi´ficas, garantindo que interfaces conti´nuas em grande escala sejam tratadas dentro de uma abordagem de captura de interface, enquanto interfaces dispersas de pequena escala são abordadas por modelos tradicionais de fechamento do modelo de dois fluidos dentro do mesmo domi´nio computacional. Esta abordagem inovadora permite uma análise aprofundada dos efeitos dos fenômenos de escoamento bifásico no desempenho da célula com alta precisão. Além disso, possibilita a avaliação de condições operacionais para alta densidade de corrente e diferentes taxas de alimentação de água. Para validar a precisão do modelo, as previsões são comparadas com resultados experimentais para curvas de polarização e visualização do escoamento bifásico in-situ. De forma notável, os resultados demonstram excelente concordância com a literatura existente, confirmando a eficácia do modelo proposto. No geral, este estudo contribui com valiosas informações sobre a dinâmica complexa do escoamento multifásico dentro dos eletrólitos PEM, destacando a importância cri´tica do uso de técnicas de modelagem precisas para otimizar o desempenho da célula e avançar as tecnologias sustentáveis de produção de hidrogênio verde.

Abstract: In this study, a comprehensive three-dimensional multiphase flow model is presented for the anode side of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer for green hydrogen production. This model incorporates various critical factors such as the electrochemical reaction in the catalyst layer, porosity, and capillary pressure in the porous transport layer, along with bubble formation in the flow channels. Developed using the open-source computational fluid dynamics software OpenFOAM, the model represents a significant advancement in simulating and analyzing the complex dynamics intrinsic to PEM electrolysis operation. A new general hybrid multi-scale technique, that implements interface capturing capabilities into the Two- Fluid model framework, is employed to accurately capture both small and large scale interfaces between the supplied water and generated oxygen. This technique facilitates an appropriate prediction of gas distribution and morphologies within the anode side of the electrolyzer, crucial for understanding overall performance. It operates based on a multi-field approach that associates one numerical phase with each possible physical phase morphology, modeling the transfer between morphologies based on volumetric fraction threshold values. An under-resolution indicator and adaptive drag model formulation enable each numerical phase to be treated with specific closure equations, ensuring that continuous large-scale interfaces are handled within an interface-capturing approach while dispersed small-scale interfaces are addressed by traditional Two-Fluid closure models inside the same computational domain. This innovative approach enables in-depth analysis of the effects of two-phase flow phenomena on cell performance with high precision. Moreover, it allows for the assessment of operational conditions for high current density and different water fed rates. To validate the model?s accuracy, predictions are meticulously compared with experimental results for polarization curves and in-situ two-phase flow high-speed visualization. Remarkably, the results demonstrates excellent agreement with existing literature, confirming the effectiveness of the proposed model. The findings provide significant insights into the behavior of PEM electrolyzers under various operating conditions. Overall, this study contributes valuable insights into the complex dynamics of multiphase flow within PEM electrolyzers, highlighting the critical importance of employing accurate modelling techniques to optimize cell performance and advance sustainable green hydrogen production technologies.