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置的用户接口组合，用于定义方程组以及网格生成、求解器和结果的设置。“燃料电池和电解槽模块”中提供了氢燃料电池 和水电解槽 接口。

通过选择任何氢燃料电池 和水电解槽 接口，软件会自动定义氧气和氢气扩散电极的传输和反应属性，用户只需为电极、电解质、隔膜和气体通道选择相应的域即可。此外，用户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，例如蒸汽或二氧化碳。模型方程可以求解电极（电子传导）和电解质相（离子传导）电位，并确定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。软件会根据用户添加的边界条件，在界面中自动定义与气相和孔隙电解质相关的输运方程；并提供单独的域特征用于定义氢电极和氧电极。软件中提供了预定义的主要电极反应，但同时也允许用户灵活更改反应动力学参数，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。

此外，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，并通过电化学反应和法拉第定律与气相输运方程实现自动耦合。

内置热力学数据库

在不同的工艺和工作条件下，氢、氧电极中的气体混合物含量可能会有所变化。“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的特性，其中，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，使用户不仅可以对氢进行建模，还可以分析重整反应的副产物。同样，氧混合物中也包含了这些附加物质。当用户选择组分并定义参考分压后，软件即可计算氢、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

软件提供了一维、二维和三维空间建模和仿真能力，可在不同空间维度分析欧姆损耗（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，用户可以使用本模块来定义具有支持电解质、稀释电解质和高浓度电解质的系统。同时，还可以使用输运方程（即 Nernst-Planck 方程）结合电中性条件或泊松方程，准确描述物质的传递过程。

用户可以根据需要选择使用 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，以满足各种应用需求。

多相流和单相流功能：分析液态水和水蒸气传递

在低温燃料电池和水电解槽中有一种特殊的现象，即液态水和气态水（蒸汽）同时存在质量传递。在燃料电池中，流动也需要从电池中去除水分以避免发生电极溢流。同样，在水电解过程中，如果产生的气体传递不充分，可能会导致电池的某些部分失活。因此，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”提供了混合物、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。此外，软件还提供了热力学数据库，用户可以轻松获取用于氢氧电池热管理仿真所需的输入数据，使得仿真过程更加便捷和准确。