Strongly coupled models for the prediction of electrochemical reactors performances

Abstract

La modélisation mathématique des systèmes électrochimiques, et en général la modélisa- tion des systèmes fluidiques réactifs en présence de champs électriques, est un problème d’une complexité telle que des solutions analytiques n’existent que dans des cas très simpli- fiés et la solution numérique est, malgré toute la puissance de calcul moderne, encore très difficile. À ce jour, les avancées dans la modélisation au niveau des modèles d’écoulement sont majeures, mais la modélisation couplée de l’écoulement, avec le champ électrique en présence de solutions concentrées demeure encore un défi de taille. Le couplage des diffé- rents champs décrits par les modèles mathématiques devient critique dans les régions où ont lieu les réactions hétérogènes aux interfaces chargées modélisées par l’équation non linéaire de Butler-Volmer. Les logiciels commerciaux modernes commencent à permettre de coupler les modules d’électrochimie avec la mécanique des fluides numérique (CFD), mais l’ impossibilité d’ac- céder au code source ne permet pas au chercheur de modifier à volonté la formulation des modèles. Par conséquent, le projet de recherche actuel vise le développement d’une plate-forme logicielle ouverte (open-source) comme OpenFOAM, qui peut garantir une complète accessibilité au code-source, la liberté des utilisateurs à faire des modifications, la transparence des détails des modèles, et tous les autres développements qui sont requis pour chaque problème rencontré par les chercheurs. Le développement de modèles reposant sur des lois physiques établies permettra la modéli- sation des systèmes électrochimiques complexes, et la compréhension des phénomènes qui s’y déroulent. Il vise la modélisation du transfert de masse d’une cellule où l’écoulement de la solution concentrée (molten salt) est turbulent, biphasique et incompressible, et les réactions électrochimiques de surface sont calculées en utilisant une distribution tertiaire de densité de courant. Le principal enjeu sur le plan scientifique, dans le cadre de ce projet, demeure donc de développer un modèle qui soit bien calé sur le problème technologique visé afin qu’il puisse reproduire de façon réaliste les systèmes électrochimiques. Il vise éga- lement à amener la modélisation à un point où l’outil pourra être utilisé comme instrument de prédiction et de validation de nouveaux concepts des systèmes électrochimiques.

Abstract: The modeling of electrochemical systems, and in general the modeling of reacting flows ex- posed to electric field, is a complex problem to the point that analytic solutions exist only for simplified cases despite the increasing computer power. The state of art shows major improvements in the fluid-dynamics of electrochemical reactors; but the full coupling of the flow with the electric field in presence of concentrated electrolytic solutions still needs to be properly investigated. The coupling gets even more critical along the charged in- terfaces where heterogeneous reactions are modeled through the non-linear Butler-Volmer equation. Commercial software are slowly try to connect electrochemical modules to the well val- idated CFDs, but most of the time costly licenses, and poor accessibility to the source code, do not allow a deep integration between the two. Instead, this research study pro- poses an open-source code implemented in OpenFOAM, that guarantees full accessibility to the source code, user’s modifications, full transparency of the model’s details, and any possible further developments required by the specificity of the problem. The final code implements the mass transfer of a cell where the concentrated solution (molten salt) is a two-phase turbulent incompressible flow and the electrochemical surface reactions consider tertiary current distributions. The aim of this work is to create an open source platform to predict and analyze industrial reactor’s performances. The advanced modeling can be later exploited and used as a validation instrument for new electrochemical concepts.