燃料电池和电解槽模块

内置用户接口

COMSOL Multiphysics^® 为用户提供了各种预定义的用户接口，通常包括相应的方程组，网格、求解器和结果的预定义设置。对于燃料电池和电解槽模块来说，软件提供了氢燃料电池和水电解槽 接口。

通过选择氢燃料电池或水电解槽 接口，软件自动定义了氧气和氢气扩散电极的传输和反应属性，您只需为电极、电解质、隔膜和气体通道选择相应的域即可。此外，您还可以选择要添加到氧气和氢气扩散电极的化学物质和双反应，如蒸汽或二氧化碳。模型方程求解电极（电子传导）和电解质相（离子传导）电位，以及系统中气体混合物的摩尔分数。

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）建模非常便捷。软件会根据添加的边界条件，在用户界面预定义相应的气相和孔隙电解质中的输运方程；并提供单独的域特征用于定义氢电极和氧电极。软件已提供了预定义的主要电极反应，但用户对反应动力学参数进行修改，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 Brinkman 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。

内置热力学属性库

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。

一次、二次和三次电流分布

与空间相关的电流分布接口可以用来分析欧姆损耗（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）。对于三次电流分布接口，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任意数量的反应。

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。

多相流和单相流功能，分析液态水和水蒸气传递

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。

热效应

“燃料电池和电解槽模块”包含内置的能量守恒方程，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。