Proton Exchange Membrane Electrolyser Model in OpenFOAM

Polymer elektrolyt membran elektrolyse model i OpenFOAM

Sørensen, Rasmus Dockweiler

4. term

Energy Engineering, Master

2023

2023-06-01

49

This thesis addresses the lack of open-source CFD tools for proton exchange membrane (PEM) electrolyser modeling by developing and extending a two-phase Euler–Euler model in OpenFOAM. The model solves continuity and momentum equations for each phase and is augmented with a generalized Darcy law and capillary pressure via the van Genuchten model; interfacial forces include drag, turbulent dispersion, and virtual mass. The model is used to examine: (i) the influence of a porous layer on the flow, (ii) the ability to identify different flow regimes, (iii) the role of lift force, and (iv) the impact of heat transfer. Findings show the porous layer promotes stronger phase mixing; a stratified flow regime can be recognized on inspection, whereas distinguishing other regimes clearly would require a VOF approach. Including lift force and heat transfer does not significantly alter fluid behavior; the computed temperature change was ΔT = 3.8 and matched analytical estimates, and interphase temperature differences were negligible, suggesting a shared temperature field could simplify the model. Phase change is not simulated, but analytical evaluation indicates up to 38.5% of the volumetric flow could be vapor and evaporation cooling could account for up to 20% of the heat from overpotential. The work supports further open-source PEM electrolyser modeling and points to future extensions with explicit phase change and an electrochemical model to link current distribution and performance.

Denne afhandling adresserer manglen på åbne CFD-værktøjer til modellering af protonledende membran (PEM) elektrolysatorer ved at udvikle og udvide en to-fase Euler–Euler-model i OpenFOAM. Modellen løser kontinuums- og momentumligninger for hver fase og er udvidet med generaliseret Darcys lov og kapillærtryk beskrevet med van Genuchten-modellen; de interfaciale kræfter omfatter træk, turbulent dispersion og virtuel masse. Med modellen undersøges: (i) hvordan en porøs lag påvirker strømningen, (ii) om forskellige strømningsregimer kan identificeres, (iii) hvilken effekt løftekræften har, og (iv) hvordan varmetransport ændrer strømningen. Resultaterne viser, at det porøse lag fører til mere blandede faser; et stratificeret strømningsregime kan genkendes ved inspektion, men tydelig skelnen af andre regimer kræver en VOF-tilgang. Inklusion af løftekræft og varmeoverførsel giver ikke markante ændringer i væskernes adfærd; den beregnede temperaturændring var ΔT = 3,8 og stemte overens med analytiske estimater, og temperaturforskellen mellem faserne var ubetydelig, hvilket peger på muligheden for en fælles temperaturfelt-tilnærmelse. Faseændring er ikke modelleret, men analytiske vurderinger indikerer, at op til 38,5 % af volumenstrømmen kan være damp, og fordampningskøling kan udgøre op til 20 % af varmen fra overpotentialet. Arbejdet understøtter videre udvikling af open source-modeller for PEM-elektrolysatorer og peger på fremtidigt arbejde med eksplicit faseændring og en elektrokemisk model til at koble strømfordeling og ydeevne.

[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]

CFD ; PEM ; OpenFOAM ; Electrolysis

Download PDF
View record in AAU Student Projects