COMSOL® 产品库

燃料电池和电解槽模块

燃料电池和电解槽模块:提高能源效率

用于设计和性能分析的燃料电池和电解槽建模

“燃料电池和电解槽模块”是 COMSOL Multiphysics 软件的一个附加产品,可以帮助用户加深对燃料电池和电解槽系统的理解,这对于设计和优化电化学电池非常有用,经常被研究的系统包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、氢氧化物交换(碱性)燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC),以及相应的水电解系统。注意,本模块适用于所有类型的燃料电池和电解槽。

与 COMSOL 产品库中的每一款产品一样,其中也内置了多物理场功能,包括多相流、传热、热力学属性,等等。

燃料电池和电解槽模块支持的建模对象

氢燃料电池

“燃料电池和电解槽模块”针对最常见的氢燃料电池类型预定义了许多公式,可用于分析电极、电解质以及集流体和馈线。支持各种燃料电池类型,典型示例包括 PEMFC、AFC、PAFC、SOFC、MCFC 和高温质子交换膜燃料电池等。

用户可以使用建模和仿真来预测燃料电池中的电流和电位分布、化学物质分布和温度分布。通过这种方式,可以将电池设计为在一组给定条件下达到最佳的利用率和工作状态。其中重要的因素是去除水分并避免电池的利用率不均匀,因为这可能导致性能下降和寿命缩短。此外,用户还可以研究气体扩散电极和活性层的微观形貌,例如催化剂载量、粒度分布和双孔分布。

可以进行零维、一维、二维和三维的稳态和瞬态分析。此外,用户还可以在频域中建立基于物理场的模型来模拟阻抗谱实验。

使用 COMSOL Multiphysics 及附加的“燃料电池和电解槽模块”建模的质子交换膜燃料电池。 质子交换膜燃料电池中通道和气体扩散电极的一部分中的氧摩尔分数。

水电解槽

由于风能和太阳能的成本不断降低,电解槽的产量得到了大幅提升。这也意味着,在风和太阳的作用下,会有更多的电力过剩;而将这些电能存储在电池中是非常昂贵的。取而代之的是,人们可以使用电解槽通过水电解方式由电产生氢。

水电解槽的设计与氢燃料电池类似,不同点在于,和燃料电池相比,其电流方向相反,阴极为负极,阳极为正极。“燃料电池和电解槽模块”中的模型描述了气体扩散电极、活性层、电解质隔膜和带有通道的双极板,它们可以在单电池和电池组级别进行定义。

和燃料电池一样,这些模型也基于物理场,并涵盖零维、一维、二维和三维模式,可用于分析电解槽的稳态和瞬态工作情况。

固体氧化物电解槽模型,其中以彩虹色显示电流密度分布,并用深蓝色到白色渐变来显示通量流线。 固体氧化物电解槽中,电解质隔膜中间平面上的电流密度分布和氢的通量流线。流线的颜色表示氢的分压。在析氢浓度过电位增加的区域,电流密度降低。

工业电解槽

“燃料电池和电解槽模块”的功能并不仅限于水电解槽,它还可以为任何电化学电池或电解槽进行建模,包括描述气体逸出和层流多相流的功能。对于氯酸盐电解和氯碱膜工艺等系统,该模块可以与“CFD 模块”相结合,用于处理湍流。

燃料电池和电解槽模块的特征和功能

“燃料电池和电解槽模块”对燃料电池和电解槽中发生的输运方程、化学反应和电化学反应进行了详细的说明,为气体扩散电极、孔隙电解质、电解质(隔膜)和双极板(这些系统中的主要组成)建立了模型方程。这意味着,可以对电池进行零维、一维、二维或全三维建模,模拟平稳运行期间或完全的瞬态实验和工作过程。

一次、二次和三次电流分布

与空间相关的仿真(一维、二维和三维)可以解释欧姆损耗(一次)、欧姆和活化损耗(二次),以及欧姆、活化和质量传递损耗(三次)。对于三次电流分布,用户可以定义具有支持电解质、稀释电解质和高浓度电解质的系统。输运方程(即 Nernst-Planck 方程)可以同电中性条件或泊松方程结合使用。

用户可以使用 Tafel 方程、Butler-Volmer 方程或者过电位和化学物质浓度的任意函数来定义电极动力学;并可以在电极表面定义多种反应(任意数量)。

这些电流分布接口可以与多孔电极、气体扩散电极和平面电极结合使用。

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示“稀物质传递”设置,并在“图形”窗口中显示线电极模型。 具有平面对电极的电解槽中网状阳极表面的电流分布。本例假设有支持电解质,因此使用 Nernst-Planck 方程,其中考虑了反应物质的扩散、迁移和对流引起的传递。
COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示“氢气扩散电极反应”特征设置,并在“图形”窗口中显示固体氧化物燃料电池模型。

固体氧化物燃料电池(SOFC)中电解质的电流密度分布与气体通道(上通道)中的氧摩尔分数密切相关,而氢电极则提供少量的浓度过电位(下通道)。氢气扩散电极反应 特征可用于定义电极反应的动力学参数。

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示燃料电池阴极模型的“氢燃料电池”设置。

氢燃料电池的设置 窗口允许您选择氢混合物和氧混合物的组分。

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示被动式质子交换膜模型的“模型开发器”、“电化学热”设置和温度分布图。

本例通过在模型树的多物理场 节点中添加“电化学热”来定义自呼吸式质子交换膜燃料电池的热平衡。此节点中选择的氢燃料电池传热 接口可以自动定义电化学热源和热沉。

气体扩散电极

使用“燃料电池和电解槽模块”对气体扩散电极(GDE)建模非常简单。软件会根据添加的边界条件,在用户界面中自动定义气相和孔隙电解质中的输运方程;其中提供单独的域特征用于定义氢电极和氧电极。主要的电极反应是预定义的,但用户可以更改动力学并添加双反应和寄生反应。

气相中的物质传递可以与气体通道中的传递实现自动耦合。通过使用 Brinkmann 方程为气体通道和多孔结构定义流体流动,可以模拟完全耦合的自由和多孔介质流动。

除此之外,软件还定义了电解质(隔膜)和孔隙电解质(活性层或 GDE 中的电解质)中的电荷平衡,它们通过电化学反应和法拉第定律自动耦合到气相输运方程。

自由和多孔介质中的多相流和单相流

低温燃料电池和水电解槽中的一种特殊现象是液态水和气态水(蒸汽)同时进行传递。在燃料电池中,流动也需要从电池中去除水分,从而避免电极溢流。同样,在水电解过程中,如果产生的气体传递不充分,可能会使电池的某些部分失活。在这两种情况下,模拟多孔电极和开放通道中的两相流非常重要。

“燃料电池和电解槽模块”包含混合物、气泡流和 Euler-Euler 模型,专门用于对分散多相流和多孔介质相传递进行分析。这些模型可以模拟多孔介质(电极)和开放自由介质(通道)中的多相流。有关这些多相流模型的更多信息,请查看 CFD 模块页面。

内置热力学

氢、氧电极中的气体混合物含量可能因工艺和工作条件的不同而有所不同。“燃料电池和电解槽模块”包含一个内置的热力学属性数据库,用于分析氢混合物和氧混合物。氢混合物可以包含氮、水、二氧化碳和一氧化碳作为附加物质,从而实现不仅可以对氢进行建模,还可以模拟重整反应的副产物。氧混合物中也有同样的附加物质。当用户选择组分并定义参考分压后,软件可以计算氢、氧电极反应的平衡电极电位,从而计算出电池的平衡电位。

传热

“燃料电池和电解槽模块”包含内置的能量平衡定义。在传热分析中,软件可以自动添加由电化学反应、离子和化学物质传递以及电流传导产生的热源和热沉。不仅如此,用户还可以通过热力学数据库轻松获取用于氢氧电池热管理仿真的输入数据。

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