使用 COMSOL Multiphysics® 开发燃料电池的 4 个仿真案例

2023年 1月 10日

燃料电池是清洁能源领域最受关注的新技术之一。燃料电池通过涉及氢氧化和氧还原的电化学反应产生电能。简单来说,如果能够为燃料电池稳定供给氢气和氧气,它就能发电。此外,这个过程中产生的副产物是水,因此它是一种不会产生二氧化碳或有毒副产物的“清洁燃料”。

探索不同的燃料电池设计

燃料电池的整体性能受到其电流密度分布、反应物的进给量以及温度变化等因素的影响。借助多物理场仿真可以研究这些因素,以及由热膨胀引起的可能的结构形变。通过COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品燃料电池和电解槽模块,工程人员可以在同一个模型中对所有这些因素进行分析,用于设计和模拟不同的燃料电池。软件提供不同类型的多物理场耦合功能,如反应流、非等温流等,通过耦合模拟这些相互作用的物理现象可以清楚地了解电池在实际应用中的运行状态,还可以将模拟扩展到整个燃料电池堆。

接下来,让我们通过 4 个仿真案例来说明如何使用 COMSOL Multiphysics 评估燃料电池设计中的不同影响因素。

1.固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池中的电解质和电极由金属氧化物(硬陶瓷材料)制成。这种电池中的电极为多孔气体扩散电极(GDE),两个电极之间包含一层固体电解质,形成三明治结构。本节,我们将通过 固体氧化物燃料电池中的电流密度分布教程模型,来探究固体氧化物燃料电池的内部运行。

这个教程可用于模拟含逆流的平行通道固体氧化物燃料电池的一个基本单元中的电流密度分布。电池的燃料为湿氢气(氢气和水蒸气)和湿空气(水蒸气、氧气和氮气),分别从阳极侧和阴极侧供给。

标记了双极板、空气出口和氢气入口的固体氧化物燃料电池的几何结构。
标记了空气流道、氢气流道、空气进口和氢气进口的平行流道固体氧化物燃料电池的基本单元的几何结构。

图1. 一个电池堆中的固体氧化物燃料电池单元的几何结构,包含双极板(左)。一个基本单元的模型几何,包含一个空气流道和一个氢气流道(右)。假设双极板处于恒定电势,并且不包括在模型中,而是将电势设置为多孔气体扩散电极(GDE)和双极板之间的接触表面的边界条件。

该模型涵盖以下过程的全耦合:

  • 阳极和阴极的质量守恒
  • 气体流道中的流动
  • 多孔电极中的气体流动
  • 氧离子贡献的离子电流守恒
  • 电子电流守恒
  • 阳极和阴极的电荷转移反应(电化学反应)

作为一个真正的多物理场问题,该模型使用了描述电池内部发生的过程和现象的多个物理场接口。使用 氢燃料电池 接口求解用于描述气相中的物质传递的 Maxwell-Stefan 扩散和对流方程。使用可压缩的 Navier–Stokes 方程定义通过自由流动区域的流道,使用 Brinkman 方程描述多孔电极内的流速。使用多孔电极理论定义电解质、孔隙电解质和电极中的电流守恒,通过耦合多孔气体扩散电极中的局部浓度与热力学的 Nernst 方程和电荷转移反应动力学(电极动力学)的 Butler–Volmer 方程。

该模型中值得研究的参数为以下各项之间的关系:

  • 流道宽度
  • 电极厚度
  • 电解质(包括多孔电解质)的电导率
  • 电极的电导率
  • 单元的长度
  • 气体成分和气体进料速率

这些设计和运行参数决定了电池在不同负载下的性能。这个模型是完全参数化的,也就是说你可以对上述参数的不同数值进行模拟,来了解和研究电池单元的行为。接下来,我们将给出该模型的仿真结果,你还可以在 COMSOL 案例库中查看其相关的 MPH 文件和 PDF 说明,深入理解如何构建这个模型。

仿真结果

从左到右,图 2 显示了阳极中的氢摩尔分数,阴极中的氧摩尔分数以及电解质上的电流密度。模拟结果显示,空气的馈入限制了电池的性能,导致进气口的电流密度很高,出口处的电流密度很低。此外,还可以看到,通道中间的电流密度略高于边缘的,这是因为集流体和气体通道的接触面阻碍了气体输送。

用彩色标尺显示阳极的氢气摩尔分数的图,模型的最左边是红色,中间是白色,最右边是蓝色。
用彩虹色标显示阴极的氧气摩尔分数的图,其中最左边是蓝色,中间是浅蓝色,最右边是红色。
用彩虹色标显示电解液中的电流密度分布图,其中最左边是蓝色,中间是浅蓝色,最右边是红色。

图2. 在 0.6 V 的电池电压下,阳极的氢摩尔分数(左)和阴极的氧摩尔分数(中间),气体通道和气体扩散电极显示了各物质组成。电解液中的电流密度分布(右)表明,空气馈入限制了电池的性能,导致进气口位置的电流密度很高。

图 3 显示,在图 2 的工作条件下,最大功率的电流密度略低于 1800 A/m2(下左图),因此最大功率略低于 1150 W/m2。当气流速率增大时,最大功率密度可上升到 1300 W/m2(下右图)。如果绘制电解质中的电流密度分布,会看到它更加均匀。然而,这种性能的提高必须与气泵所需的功率相平衡,即气泵必须提供高出 50% 的压力。

显示进气压力为6 bar时的极化和功率密度曲线的图表。
显示进气压力为9bar时的极化和功率密度曲线的图表。

图3.进气压力为 6 bar 时的极化和功率密度曲线(左),显示了电流密度在 1800 A/m2 左右时最大功率略低于 1150 W/m2。通过将入口压力增加到 9 bar(右)来提高气流速率,从而将电流密度和功率密度的最大值分别提升至 2200 A/m2 和 1300 W/m2

2. 低温质子交换膜燃料电池

质子交换膜(PEM)燃料电池中有一层聚合物膜电解质。通常,质子交换膜在运行过程中具有相对较高的含水量。在具有蛇形流场的低温质子交换膜燃料电池教程模型中,由膜和气体扩散电极(GDE)组成的膜电极组件(MEA)被夹在含蛇形气体流道的双极板之间。在下图的几何结构中,空气通道及其入口位于膜电极组件上方,氢气通道及其入口位于膜电极组件下方。

标有空气进口、空气出口、氢气出口和氢气进口的 PEM 燃料电池的几何结构。
图4. 质子交换膜燃料电池模型的几何结构

由于阳极(负极)的氢氧化反应和阴极(正极)的氧还原反应,质子交换膜燃料电池在阴极产生水。产生的水通过膜渗透到阳极侧。假设阴极气体扩散电极产生的水不能有效被去除,这种情况下,电极的孔将被水淹没,从而阻碍氧气的供给,导致电池性能大幅下降。相反,如果膜和孔隙电解质太干燥,将导致电解质中的欧姆电导率降低。因此,质子交换膜燃料电池运行的一个关键因素是水管理。

这个模型可以求解:

  • 气体扩散电极和膜电解质中的电荷守恒和质量传递方程
  • 膜两侧气相中的流动方程
  • 水通过扩散(渗透)和迁移(电渗阻力)在膜中传输的方程
  • 电极上的电荷转移反应方程(电化学反应)

这个模型中值得关注的方面是:

  • 蛇形图案的影响
  • 流道横截面的尺寸
  • 双极板和电极之间接触面的宽度
  • 膜电极组件的尺寸
  • 电池所有组件的材料属性

所有这些方面都可以在不同的运行条件(气体进料速率和载荷)下进行研究。这个模型还可以用于优化给定气体供给和负载的电池设计。你可以在下一节查看此模型的模拟结果。如果你想直接跳转到建模的详细分步说明,可以点击此处下载。

仿真结果

该模型计算了各种气体扩散电极和气体流道中气体的成分,如图5所示。图中显示氧气的消耗量比氢气大得多。氧气的消耗发生在沿气体扩散电极厚度方向上,主要是由于氧气具有较小的扩散率。因为空气和氢气在通道中的流动是逆向的,所以两种反应气体在双极板的两端被耗尽。

用棱镜色标显示氧气摩尔分数的图,模型的最左边是深红紫的颜色,中间是红橙色,最右边是黄绿色。
用棱镜色标显示氢气摩尔分数的图,模型的最左边是浅紫蓝色,中间是橘红色,最右边是深红紫色。

图5.氧摩尔分数(左)和氢摩尔分数(右)模拟图。

如果观察氢气流道和膜中的水活度,可以看到水活度在靠近进气口的地方更大。在这个位置的气相中氧含量很高,由于氧气传输限制了反应速率,导致局部电流密度更高。还可以看到,膜电导率在水活度大的位置更为明显,从而影响电池中的电流密度分布。氧气和水含量使电流密度增加,直到阴极气体扩散电极中的液态水含量开始阻碍气体传输。

用棱镜色标显示流道的相对湿度的图,模型的最左边是紫色、红色和橙色;中间是浅蓝紫色;最右边是浅紫色。
用棱镜色标显示膜中水活度的图,模型的最左边是红色;中间是黄色、浅蓝色和蓝色;最右边是蓝色。

图6. 流道中的相对湿度(左)和膜中的水活度(右)。

3. 非等温质子交换膜燃料电池

使用非等温质子交换膜燃料电池教程模型,我们可以对质子交换膜燃料电池中的电化学反应、流体流动、传热以及电荷和物质传递进行多物理场仿真。这个教程中的电池包括两个膜电解质组件电极,以及二者中间的气体扩散层(GDL)。电极的活性层被建模为表面,也就是说忽略了它们的几何厚度。活性层厚度是一个参数,但它不会反映为模型几何体中的厚度,也就是说气体成分和电势在沿活性层的厚度方向上是恒定的。氢气通道由波纹板形成,波纹板也用作与阳极接触的电流气体通道。充满液态水的冷却通道在氢气通道的另一侧运行。气室由一个扩展的网状集流体组成,该集流体将阴极与金属平板分开。位于扩展网格顶部的金属板用作双极板,将阴极室与下一个电池的冷却通道隔开。该冷却通道将在当前电池上方重复堆叠。

请注意,图7的宽度为两个单位,它包含两个氢气流道。由于沿宽度对称,我们只需要对该几何结构的 1/4 进行建模。但是,这种结果很难解释,而且模型方程可以在几分钟内求解,因此可以使用比所需要的模型大的几何结构。

一个非等温 PEM 燃料电池的几何结构,标注了扩张网状集流器、双极金属板、空气入口、氢气入口、冷却水、波纹板电流馈入器、阳极 GDL、膜和阴极 GDL。
图7. 非等温质子交换膜燃料电池教程模型的几何结构。

图中几何结构的右侧显示了湿空气和氢气流的入口以及液体冷却液。

使用 单相流 接口的层流纳维-斯托克斯方程描述冷却液态水,使用 传热 接口定义和求解电池温度。使用模型中的 反应流电化学加热非等温流 多物理场节点定义理解电池整个运行(包括流动、化学物质传递、电化学反应和通过电池的传热)过程中涉及的各种多物理场现象。

这里要研究的是空气流道中使用的扩展网状结构的影响。设计此结构是为了创建一个垂直于膜电极组件的流场分量,以确保氧气供应和水排出。燃料电池的性能可能会随着控制扩展网格几何结构的参数而异。这些参数可能会影响集流体与电极接触之间的关系,以及用于质量传输(包括去除水)的区域。该模型允许在给定的运行条件和负载下优化结构。你可以在下一节查看该模型的仿真结果图,还可以通过 COMSOL 案例库下载该模型的 PDF 文档和 MPH 文件,尝试自己构建这个模型。

仿真结果

下图左显示了朝向出口侧增加的膜电解质电流密度。由于水的形成,膜的导电性随膜的含水量的增加而升高。如果查看膜的含水量,可以看到水积聚在集流体和阴极之间的接触区域下方,那里的电流密度也很大。如果水淹没阴极,阻碍氧气的运输,这最终可能会成为一个问题。假设我们在保持工作条件不变的情况下,通过将氢流道的长度增加一倍来拉长电池的长度。那么,最终会看到沿流道长度方向的电流密度急剧降低,因为质量传输限制导致氧还原反应减慢。

用彩虹色标显示膜的电解液电流密度的图,模型的最左边是红色、黄色和浅绿色,最右边是浅蓝绿色。
用棱镜色标显示膜的相对湿度的图,其中模型的最左边是紫色、红色和橙色;中间是黄色、绿色、橙色和蓝色;最右边是蓝色。

图8.电池电压为 0.5V 时,膜的通平面电解质电流密度(左)和膜的相对湿度(右)。

使用这个模型,我们还可以观察阴极气体混合物中的氧摩尔分数和水蒸气摩尔分数。朝出口方向的氧气水平降低,水含量增加。

用彩虹色标显示氧气摩尔分数的图,模型的最左边是黄绿色,中间是橘红色,最右边是暗红色。
用彩虹色标显示氢气摩尔分数的图,模型的最左边是蓝色;中间是浅蓝色、黄色和橙色;最右边是红色。

图9. 氧摩尔分数(左)和氢摩尔分数(右)仿真图。

此外,还可以看到整个电池和冷却流道的温度曲线。在膜电极组件中观察到最高温度,这很合理,因为热源是通过焦耳热和活化损失产生的。

用 HeatCamera 颜色表显示 PEM 燃料电池中的温度分布图,模型的底部是紫色,中间是黄色,顶部是紫色。
图10. 电池内的温度分布。

电池的功耗如图11所示。该仿真图显示了电池中热量的分布。可以看到,最明显的热源在膜内部,这是由于膜的导电性差所致。此外,还可以看到在扩展网格与阴极接触的位置产生了大量的热。在这个位置,电极的导电性相对较差(与集流体相比),而电流密度很高。

用彩色标尺显示的MEA、馈电和集流体中热源图,其中模型的底部是浅蓝色和深蓝色,中间大部分是黄色,顶部大部分是浅蓝色。
图11. 膜电极组件、馈电和集流体中热源的对数图。

最后,我们可以生成电池的极化曲线,显示电池电压与平均电流密度(每单位膜面积上的电流)的函数关系。在低电流密度下,电池电压的显著下降主要是由于阴极的活化过电位造成的。同时,在电流密度稍高的情况下,随之出现一个以欧姆损耗为主的线性区域。我们看到在高电流密度下的损耗略有增加,其中由于质量运输阻力而导致曲线略微向下弯曲。

显示电池电压与平均电流密度关系的图。
图12. 极化曲线显示电池电压与平均电流密度的函数关系。

4. 燃料电池堆冷却

COMSOL Multiphysics 6.1 版本新增了燃料电池堆冷却教程模型,可用于评估由 5 个电池、5 个膜电极组件和 2 个端板组成的质子交换膜燃料电池堆的热管理。这类分析很重要,因为燃料电池堆电池内的温度分布不均匀会导致水蒸气冷凝不均匀,以及电池间性能的不必要变化。

在本例中,电堆与含液体冷却液的双极板交叠在一起。左侧图片显示了用于构建模型几何结构的重复单元。中间和右侧的图片显示了最终的模型几何结构,由两个金属端块夹着 5 个堆叠的单元构成。

标有冷却水出口、氢气出口、空气进口、冷却水进口、氢气进口、MEA和空气出口的重复单元单元的几何结构。
含 5 个基本单元的电池堆的空气流道示意图,标记了终端板、进气口、双极板和流形、MEA和出气口。

含 5 个基本单元的电池堆的氢气通道模式图,标记了终端板、氢气出口、双极板和流形、氢气进口和 MEA。

图13. 在图中,我们可以看到重复的基本单元(左)以及含 5 个电池单元的电池堆,显示了氧气流道模式(中)和氢气流道模式(右)。包含空气和氢气流道的金属板(左图中以粉红色和蓝色显示)在电池堆中背靠背焊接。流道的模式使焊缝之间有空隙,形成了冷却水的流动通道。端板用于固定结构并施加压力,以保持双极板与膜电极组件之间的最佳接触。

该模型定义了以下方程:

  • 温度
  • 电极和电解质相电位
  • 反应物质在每个单独气室中的质量传输
  • 气体和液体流动室中的流体压力和流场
  • 膜电极组件活性层中的电极动力学

在这个模型中,值得研究的方面是电池堆中可能发生的组成、温度和电流密度分布的变化。这些因素取决于双极板和膜电极组件的几何结构,还可能取决于电池堆中包含的基本单元数量。该模型允许我们使用具有反映气体流道结构的各向异性特性的多孔介质方法处理气体流道的几何结构。通过将这种方法与气体流道的完整描述进行比较,我们可以验证其准确性。这种方法提供了良好的准确性(取决于目的),同时大大降低了计算成本(CPU 时间和内存要求)。

下节,我们将展示这个模型的仿真结果,你可以在 COMSOL 案例库中下载此模型的 PDF 说明和 MPH 文件,尝试自己模拟。

仿真结果

图14 显示了电极之间膜中的电流密度分布。空气的供应似乎决定了电荷转移速率,导致进气口处的电流密度较高,出口处的电流密度较低。此外,电池堆顶部、中部和底部的电流密度分布几乎相同。

用棱镜色标显示顶部电池中膜上电极之间的电流密度的图,其中PEM燃料电池堆模型的最左边是浅紫蓝色,中间是水蓝色和浅绿色;最右边由绿色、黄色、橙色和红色组成。
用棱镜色标显示电池中部的膜上电极之间的电流密度的图,其中PEM燃料电池堆模型的最左边是浅紫蓝色,中间是水蓝色和浅绿色;最右边由绿色、黄色、橙色和红色组成。
用棱镜色标显示底部电池膜中电极之间的电流密度的图,其中PEM燃料电池堆模型的最左边是浅紫蓝色,中间是水蓝色和浅绿色;最右边由绿色、黄色、橙色和红色组成。

图14. 顶部(左)、中间(中)和底部(右)电池膜中电极之间的电流密度。

图15 显示了气体流道和多孔电极中顶部电池中的氢和氧摩尔分数。与预期的一样,顶部的电流密度分布反映了氧摩尔分数的分布。请注意,氧气的消耗程度比氢气大得多。此外,氧气沿阴极厚度方向耗尽,而氢摩尔分数沿阳极厚度方向几乎不变。

显示氢气摩尔分数与彩虹色标的图,其中模型的最左边是浅蓝色和深蓝色;中间是黄橙色;最右边是浅红色、橙色和黄色。
显示氧气摩尔分数与彩虹色标的图,其中模型的最左边是浅蓝色和黄色;中间是黄色、红色和橙色;最右边是深红色。

图15.电池堆顶部电池中的氢摩尔分数(左)和氧摩尔分数(右)。

图16 显示了阴极气体流道和电极、膜以及阳极流道和电极中电堆顶部电池中的温度,在颜色图例中从右到左表示。膜中的温度较高,这是意料之中的,因为膜具有较低的导电性和导热性。此外,温度沿着冷却水的方向升高,这也是意料之中的。

用 HeatCamera 的颜色表显示顶部单元的温度的图,其中模型的最左边是黄色,中间是粉红色和紫色,最右边是深紫色。
图16. 电池堆顶部单元的温度。

图17 显示了电池堆中的温度。最高温度出现在中间单元膜中。这个位置离有助于冷却的端板最远。双极板中的冷却通道也提供冷却功能。此外,还可以看到两个端板的温度分布相同。

用 HeatCamera 颜色表显示电池堆中温度的图,其中模型的最左边是黄色、橙色和浅粉色、紫色;中间是紫色和粉色;最右边是深紫色。
图17.电池堆中的温度。右侧和中间的颜色图例对应端板,左侧颜色图例对应电池单元。

该模型显示了沿电池堆高度方向温度的轻微变化。如果要堆叠更多的电池单元,这种情况将会改变。堆叠更多单元将导致沿电池单元高度方向的氧气或氢气被耗尽,歧管中的气体流道也会发生变化。

下一步

文中仅介绍了几个如何使用仿真开发燃料电池的案例,COMSOL 案例库中还有更多其他案例。工程师通过仿真能够更深入地理解燃料电池的运行,不断提高电池的整体效率、功率和可靠性。

请注意,文中显示的所有案例都是使用燃料电池和电解槽模块开发的。单击下面的按钮,了解有关此模块的更多信息(可用于模拟氢燃料电池和工业电解槽等)!

下载教程模型

单击下面的链接,进入 COMSOL 案例库,下载随附的 MPH 文件,尝试自己构建文中提到的教程模型。

  1. 固体氧化物燃料电池中的电流密度分布
  2. 具有蛇形流场的低温质子交换膜燃料电池
  3. 非等温质子交换膜燃料电池
  4. 燃料电池堆冷却

评论 (40)

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佳佳 仝
佳佳 仝
2023-04-06

Have you done any research on electrochemical attenuation?

yongchao wang
yongchao wang
2023-07-21 COMSOL 员工

对于燃料电池还没有寿命衰减的案例,在建模的过程中可以通过添加副反应描述电池内催化剂的老化,另外在comsol中可以通过定义“辅助物质”描述体系内有毒化作用的痕量物质,就可以描述催化剂的毒化过程;

, Toro
, Toro
2023-05-27

How is this’Specific surface area ‘ defined? What is the specific calculation formula? in pemfc

yongchao wang
yongchao wang
2023-07-21 COMSOL 员工

比表面积表示在多孔介质中单位体积内的活性面积,计算公式为:活性比表面积=S/V,其中S为体积V内的活性表面积,一般活性比表面积是可以通过实验的方法测得的。

立 陈
立 陈
2023-07-31

燃料电池电池之间的串联该如何实现呢?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2023-10-30 COMSOL 员工

对于串联的话,直接可以把电池堆叠的几何画出来,在两侧双极板指定总电压就可以了,您可以参考我们官网关于电堆的案例“https://cn.comsol.com/model/fuel-cell-stack-cooling-105191”。

优昂 朱
优昂 朱
2023-10-29

请问,第一个固体氧化物燃料电池的例子,功率曲线如何平滑的呢?为什么我的是折线图

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2023-10-30 COMSOL 员工

您好,主要原因是您进行辅助扫描扫略的电压数量太少了,所以才导致了曲线不平滑,您可以尝试减小每步扫略电压的差值。

优昂 朱
优昂 朱
2023-10-29

Excuse me, for the first solid oxide fuel cell example, how smooth is the power curve? Why is mine a line chart

yongchao wang
yongchao wang
2023-11-02 COMSOL 员工

您好,主要原因是您进行辅助扫描扫略的电压数量太少了,所以才导致了曲线不平滑,您可以尝试减小每步扫略电压的差值。后处理时,可以将计算好的功率曲线数据,引用到“插值”函数中,可以在插值函数中对数据进行“分段三次”插值,使结果更平滑。

泽楠 华
泽楠 华
2023-11-08

请问如何在固体氧化物燃料电池中设置接触电阻?

Yi Li
Yi Li
2023-11-13 COMSOL 员工

您好,在最新的6.2版本软件中,右击“电子导体相”节点,可以设置内部电极接触电阻,6.1及之前版本软件无该功能。

洋 兰
洋 兰
2023-11-13

同样的设置换一种几何形状的模型进行仿真,开启辅助扫描后就会报错:找不到所有参数的解,即使采用最小步长也是如此,达到最大分离迭代次数,返回的解不收敛,没有返回所有参数步长。关闭辅助扫描就不会报错,请问这是哪里出问题了?

Qihang Lin
Qihang Lin
2023-11-13 COMSOL 员工

建议先单独测试扫描到不收敛的参数是否能够计算收敛,如果单独计算也不收敛则说明是给入的数值过于极端导致的不收敛。

闯 李
闯 李
2023-11-16

我也是换一种模型就有问题了,就会报错,关闭辅助扫面会好吗?

009 Present
009 Present
2023-11-16

请问一下,这篇文章的第一个模型,sofc单通道这个,就是和官网教程一样的这个模型,官网的案例中,最后计算完成,电解质电位为什么会显示负值?电解质电位是负值是对的吗?实际上这个值应该是什么样的啊?

Yi Li
Yi Li
2023-11-24 COMSOL 员工

您好,电解质电位负值是正常的,其值和具体的工况相关,您可以改变电池电压,查看不同工况下电解质电位的变化。

新翔 武
新翔 武
2023-11-20

您好,我想询问一下第三个案例这种细网格设计的出处,以及comsol中是否有除了这四个更多的关于燃料电池的仿真建模案例

Yi Li
Yi Li
2023-11-24 COMSOL 员工

出处详见案例pdf文档中的参考资料,http://cn.comsol.com/model/nonisothermal-pem-fuel-cell-102461;更多燃料电池案例可以在案例库中检索对应关键词,http://cn.comsol.com/models。

泽楠 华
泽楠 华
2023-12-10

1.请问如何在固体氧化物燃料电池仿真中画出Y轴分别为活化过电位、欧姆过电位、浓差过电位,x轴为电流密度的图呢。2.x轴可以选择探针中的表达式,但是Y轴的过电位只能选择在氢燃料电池——电极动力学——过电位,此处的过电位又是哪一种过电位呢?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2023-12-11 COMSOL 员工

您好,对应几个过电位需要您自己对自己的模型进行了解,然后通过后处理把对应的变量,过电位其实也就是电压的下降值。例如您说的电极动力学节点下的过电位就是对应电极动力学的过电位也就是活化过电位。比如浓度的影响,大概率您可以从平衡电位处找到相应的电压降,对于欧姆的话往往是对应电解液中的电位降。

泽楠 华
泽楠 华
2024-04-03

平衡电位与浓差极化之间的确存在着密切的关系,但不能通过平衡电位来得出浓差极化吧?

徐武 朱
徐武 朱
2023-12-14

请问固体氧化物水电解槽物理场怎么描述氨气的电解,总反应是N2+H2O=NH3+O2,默认是含氢气的

yongchao wang
yongchao wang
2023-12-14 COMSOL 员工

1.水电解槽接口未预置NH3,如果想在此接口中实现该功能可以用已有的物质替代(如CO2或CO等),在扩散电极中可以根据实际情况定义相应反应的化学计量数、平衡电位、电极动力学等(如果由多个电极反应也可以分别定义,可参考案例模型:http://cn.comsol.com/model/water-and-carbon-dioxide-co-electrolysis-in-a-solid-oxide-electrolyzer-cell-121571 ),在”氢气相“中需要将内置的”动力粘度“、”二元扩散系数“改成用户定义;
2.也可以采用二次电流分布+浓物质传递+流场进行耦合仿真,这样可以更灵活的定义混合气体的组分,混合气体的热力学属性可以通过热力学系统进行计算,可以参考案例模型:http://cn.comsol.com/model/solid-oxide-electrolyzer-using-thermodynamics-74001

jingjing Liang
jingjing Liang
2024-01-24

你好,你说到就是共电解的模型,请问在一个电极里面涉及H2O的电解以及CO2的电解,总电流固定,部分电流电解H2O,剩下的部分电解CO2,你们这个电流的分配是依据什么进行的呢?输入的参数里面就是涉及H2O电解和CO2电解的BV方程的参数,例如交换电流密度,电荷转移因子等等,都是分别输入的,但是没有看到哪里体现了两个电解反应的竞争关系;

jingjing Liang
jingjing Liang
2024-02-16

您好,我正在使用SOEC电解槽模拟共电解,请问为什么我计算的第一个步骤进行二次电流初始化的时候,得到的电解H2O的初始平均电流密度是正的,而电解CO2的平均电流密度是负的呢,我在化学计量数的设置那里反复检查了,设置的没有问题,请问初始化出现这样的问题是由于什么导致的呢?

泽楠 华
泽楠 华
2023-12-26

上一条留言我问了工程师如何设置接触电阻,工程师给我的答复是需要使用comsol6.2版本来设置。后续我也设置了内部电极接触电阻位0.05Ω*cm2,但是跑出来的极化曲线和功率曲线都和没添加接触电阻之前的数据没有变化,请问这是什么原因?

Yi Li
Yi Li
2023-12-26 COMSOL 员工

您好,可能由于设置的接触电阻值过小,最终从极化曲线的线图上看不出来区别,您可以比较下极化曲线对应点处的具体数值,看看是否有区别,或者增大接触电阻值,使区别更加明显。

冰 麦
冰 麦
2024-03-15

请问第一个SOFC模型如果我要分析它的温度场,是要耦合一个多孔介质传热吗,我在耦合的时发现温度超过800K时,解就不收敛了

yongchao wang
yongchao wang
2024-03-21 COMSOL 员工

您好,可能是在800K时,边界条件设置的参数不太合理了,温度升高会加快反应速率,可能会导致反应物质量分数出现异常,所以不收敛,如有具体修改后的模型,可以考虑发送到support,进行讨论。

泽楠 华
泽楠 华
2024-04-01

我们知道活化极化与温度和电流大小等参数有关,而浓差极化与组分浓度有关。总活化极化由阴阳极活化极化相加。浓差极化也是类似的。
但是由于这些参数都在三维空间上分布,因此所获得的极化也应该在空间上分布。我们该如何在后处理中获得模型中的活化极化和浓差极化的?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-04-12 COMSOL 员工

您好,活化极化您可以在对应的B-V公式中找到过电位这个变量,就代表了活化极化,您需要打开方程视图在对应的电极动力学节点找到变量“fc.eta_h2gder1”。对于浓差极化主要是能斯特方程后面的活度修正项,您也需要在方程视图中找到对应的项并输出“fc.Eeq_h2gder1”。

优昂 朱
优昂 朱
2024-05-08

请问,我的功率曲线不是从0开始的,这个现象正常吗?是否可以解决?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-05-10 COMSOL 员工

您好,对于这种问题,需要区分一下您进行的是稳态计算还是瞬态计算。同时需要考虑您对于电荷物理场所设置的边界条件是怎样的。比如,您如果设置与开路电位相同的电压边界条件进行稳态计算,一开始确实是没有电流的,也就是功率是0。但是如果扫略的电压一开始与开路电位有偏差,刚开始就会有电流,也就是功率不为0。您可以尝试把模型发到技术支持,才能帮您具体分析。

希璞 张
希璞 张
2024-05-20

请问6.2版本如何设置集流体与气体扩散电极的外部接触电阻?感谢!

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-05-29 COMSOL 员工

您需要在电子导电相节点下,电接地或者电势边界条件设置的时候,可以勾选包含接触电阻。

Jiale Pang
Jiale Pang
2024-06-05

我将6.2版本的案例“非等温质子交换膜燃料电池”里的接触电阻Rc的值从1e-7[ohm*m^2]增加到100[ohm*m^2],但是极化曲线没有任何变化,请问这是什么原因?

yongchao wang
yongchao wang
2024-06-18 COMSOL 员工

您可以将COMSOL软件更新到最新的版本,在6.2发布后会有一些小的更新(见:https://cn.comsol.com/product-update),目前在最新版本测试是没有问题的。

希璞 张
希璞 张
2024-07-13

请问要进行氨SOFC的模拟,如何设置阳极反应气(选项中没看到氨气)

海洋 周
海洋 周
2024-07-15

上面有个要水解制氨气的,他给了例子,你可以反过来用嘛

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