燃料电池和电解槽模块

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本带来了新的“燃料电池和电解槽模块”,这是 COMSOL Multiphysics® 的附加产品,包含新的氢燃料电池水电解槽 物理场接口,可用于对燃料电池和电解槽进行建模。请阅读以下内容,了解这一新产品的更多信息。

燃料电池和电解槽建模

新增的“燃料电池和电解槽模块”为工程师提供了最先进的模拟燃料电池和电解槽的建模仿真工具,并提供多个通用工具用于分析真实的流体流动属性以及进行详细的电化学仿真。用户可以使用新模块在分析和优化氢燃料汽车和储能技术时,包含电荷传输、电极反应、热力学、气相扩散、多孔介质流动和两相流。

蓝色的 PEM 水电解槽模型。 PEM 水电解槽 使用新增的“燃料电池和电解槽模块”分析的聚合物电解质膜水电解槽中气体的体积分数。

请注意,从 COMSOL Multiphysics® 5.6 版本开始,“电池与燃料电池模块”产品已更名为“电池模块”,并保留了所有功能。我们建议进行燃料电池和电解槽仿真的用户使用这个全新的“燃料电池和电解槽模块”。

以下各节重点介绍在以前用于模拟电化学的 COMSOL Multiphysics® 附加产品的任何版本中均未提供的与燃料电池和电解槽建模有关的新增功能。

预定义的氧电极和氢电极

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;其中提供特定的用于定义氢电极和氧电极的域特征。主要的电极反应是预定义的,而且用户可以更改动力学并添加双反应和寄生反应。这些预定义的电极可用于燃料电池和电解槽建模。

自动生成迭代求解器

研究步骤节点现在可以自动生成迭代几何代数多重网格 求解器(但默认情况下仍使用直接 求解器)。启用其中一个迭代求解器可以减少大型仿真的内存使用量和计算时间。

电极动力学中浓度依赖性的线性化

新增的线性化 选项可以避免计算负数的幂时出现的问题,改善非单位级数的反应动力学仿真。将平衡电位的能斯特方程与交换电流密度的质量作用定律集总多级 结合使用时,您可以在三次电流分布 接口的电极反应多孔电极反应 节点中使用这一特征。当您新建模型时,新增的线性化 选项默认处于使用状态,所有采用能斯特方程和质量作用定律或集总多级动力学选项的教学案例都会使用该选项。

高导电性多孔电极

大多数电化学接口中都添加了新增的高导电性多孔电极 域节点,可用于在电子导体电极相中具有高电导率的多孔电极。它用全局变量代替电极电位的空间变量,从而减少了问题的自由度数。

稀物质传递的多孔介质特征得到改进

新版本对多孔介质中的稀物质传递 接口进行了改进,以使用新的多孔介质 节点。多孔介质中的稀物质传递 接口中添加了两个新的域特征:多孔介质非饱和多孔介质 节点。您可以使用新的多孔介质 节点为多孔介质中的多个相指派材料属性。新节点具有专门的选项来定义液体、气体和多孔基体的属性。您可以在活性炭芯陶瓷滤水器教学案例中查看此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面的特写视图,显示了“多孔介质中的稀物质传递”设置,“图形”窗口中显示陶瓷滤水器滤棒模型。 演示更新的多孔介质特征 陶瓷滤水器滤棒中的污染物浓度。

随附的教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本为“燃料电池和电解槽模块”提供了多个教学案例。

燃料电池阴极的质量传递和电化学反应

显示为正方形的燃料电池阴极模型,其中使用彩虹颜色表将过电位(单位:V)可视化。 燃料电池阴极模型 使用 氢燃料电池接口建模的燃料电池阴极反应层的局部过电压。

“案例库”标题:

fuel_cell_cathode

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蛇形流场燃料电池

具有绕流场的燃料电池模型,其中使用彩虹色显示摩尔分数。 蛇形流场燃料电池模型 使用 反应流多物理场接口建模的蛇形流场燃料电池中的氧摩尔分数。

“案例库”标题:

serpentine_flow_field

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聚合物电解质膜电解槽

PEM 电解槽模型,以彩虹色显示 10 秒后的分散相体积分数。 PEM 电解槽模型 使用 混合物模型,层流接口建模的聚合物电解质膜电解槽中气体的体积分数。

“案例库”标题:

pem_electrolyzer

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固体氧化物电解槽

作为矩形建模的固体氧化物电解槽,其中用彩虹色显示摩尔分数,用带箭头的黑色流线表示总通量。 固体氧化物电解槽模型 聚合物电解质膜电解槽中气体的体积分数。这是使用 热力学特征来自动定义阴极气体混合物的属性建模的第二个示例模型。

“案例库”标题:

soec

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高温质子交换膜燃料电池的质量传递分析

高温质子交换膜燃料电池模型,其中使用彩虹色显示摩尔分数。 质子交换膜燃料电池质量传递分析 使用 反应流多物理场接口建模的电池阳极和阴极的水摩尔分数。

“案例库”标题:

ht_pem

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被动式质子交换膜燃料电池中的欧姆损耗和温度分布

被动式质子交换膜燃料电池模型,其中使用热像仪颜色表显示温度(单位:开尔文)。 被动式质子交换膜燃料电池模型 使用 电化学热多物理场耦合模拟的质子交换膜燃料电池的温度。

“案例库”标题:

passive_pem

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