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模擬電池和燃料電池設計與工作的軟體

 

電池和燃料電池:更高的能量密度、更長的使用壽命

 

電池和燃料電池通常要求能夠在更惡劣的環境下工作,並具有更高的能量密度或能量效率,以及更長的使用壽命。這些要求對電池行業產生了更多的壓力,模擬模擬迅速成為開發、設計、最佳化以及保證電池和燃料電池質量和安全性的必要工具。可供研究的系統案例包括鉛酸電池、鋰離子電池、鎳金屬氫化物電池、固體氧化物燃料電池(SOFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC) 和質子交換膜燃料電池(PEMFC) 等。

電池與燃料電池模組可以模擬電池和燃料電池的電極和電解質中的底層電化學過程。

它使您可以研究電池在不同工作條件、設計配置下的性能,以及不同老化機制下的退化過程。

使用這個專業模組,您可以模擬帶電和中性物質傳遞、電流傳導、流體流動、熱傳等過程的特性,以及平面和多孔電極中的電化學反應屬性和驅動力。

了解這些特性之後,您可以根據性能、熱管理和安全性,設計和最佳化系統中電極、分隔板、膜、電解質以及集流體與饋流體的幾何和材料選擇。

汽車鋰離子電池組模型的溫度場。 此處表徵的是冷卻通道中流體的溫度等值面和溫度分佈。
汽車鋰離子電池組模型的溫度場。此處表徵的是冷卻通道中流體的溫度等值面和溫度分佈。
質子交換膜燃料電池(PEMFC) 的通道和氣體擴散電極中的氧氣和燃料濃度分佈。

質子交換膜燃料電池(PEMFC) 的通道和氣體擴散電極中的氧氣和燃料濃度分佈。

燃料電池堆中的流體流動和壓降。

燃料電池堆中的流體流動和壓降。

鉛酸蓄電池(20 C 放電)中的電解質鹽濃度。
鉛酸蓄電池(20 C 放電)中的電解質鹽濃度。
此處,鋰離子電池接口中的插層材料選項用來描述負極中的兩種不同插層材料。 對比負極中不同混合比例的兩種插層材料,研究放電時的電池性能。
此處,鋰離子電池接口中的插層材料選項用來描述負極中的兩種不同插層材料。對比負極中不同混合比例的兩種插層材料,研究放電時的電池性能。
全三維固體氧化物燃料電池(SOFC) 的電化學阻抗譜(EIS) 研究。 當兩個交換電流密度差增大時,曲線的範圍增大。
全三維固體氧化物燃料電池(SOFC) 的電化學阻抗譜(EIS) 研究。當兩個交換電流密度差增大時,曲線的範圍增大。

在電池和燃料電池模型中構造複雜條件

 

從簡單模型開始

如果從頭開始創建一個全新的模型,即使是一個已部署到實際應用中的電池或燃料電池的模型,應該從簡單模型開始著手,然後在模擬中逐漸添加其它複雜條件。

通常,可以透過一次電流分佈模型研究設備的特性。將模型描述為純電阻導體,即利用歐姆定律,這可以簡化電化學反應、電解質和其他因素。一次電流分佈模型可以提供關於設備幾何結構的反饋結果,也可以用於了解熱管理的信息,甚至是由於熱膨脹而產生的結構應力問題。

COMSOL Desktop ®圖形用戶界面(GUI)內,電池與燃料電池模組提供了大量專業的物理介面。

一次電流分佈物理場介面,含有一些適當的編輯區,用於定義電池或燃料電池中各個組件的材料屬性,例如電極和電解質的電導率。此外,它可以方便地與電池與燃料電池模組、COMSOL Multiphysics基本模組或其他專業模組結合,描述其他特徵,例如焦耳熱或熱應力分析。

 

研究系統的電化學特性

提高研究的複雜程度:電化學反應的動力學特性高度依賴於電極的微觀結構、電催化材料和電解質組成。

極少有材料數據庫會列出動力學參數,所以電化學家們必須透過實驗來確定其設備的特定參數。

但是,在諸如電池和燃料電池之類封閉系統內運行複雜的受控實驗是很困難的,特別是這些系統具有大量可以影響電化學過程的不同物理參數。為了獲得這些動力學參數的精確描述,通常需要將實驗與同實驗過程的模擬進行比較,然後尋求這些參數的實際值。

電池與燃料電池模組提供了可模擬這些試驗的物理場介面,例如循環伏安法和電化學阻抗譜(EISAC阻抗),以及用於載入數據、繪製圖形,乃至對其運行參數進行估計的工具(需要最佳化模組)。

 

建立電化學動力學理論之後,您可以透過二次電流分佈模型將它們納入您的電池和燃料電池研究。

在這些模型中,電荷轉移機制和活化過電勢會直接影響電化學反應。此類模型可以更好地指示系統的工作電壓和電流,可用於確定電極和電催化劑材料,同時使您能夠在任何熱傳過程研究中考慮活化過電勢損耗。


此外,二次電流分佈介面可以與化學物質傳遞介面完全耦合;化學物質傳遞介面描述物質在氣孔中(例如,在氣體擴散電極GDE 中)的傳遞。

GDE 的描述中,可以使用凝聚物模型或薄膜模型來描述溶解氣體在孔隙電解質中的傳遞,以及它們到活化部位的傳遞。然後,還可以將孔隙中的氣體傳遞耦合到氣體通道中(例如燃料電池雙極板)的傳遞和流動。


均相反應可以透過電池與燃料電池模組中質量傳遞介面的動力學表達式來描述,在其中可以定義任意的匯項與源項。或者,也可以在化學反應工程模組中的物理介面中定義它們,並將它們耦合到電池或燃料電池模型中。

 

獲得全部過程的完整脈絡

但是,之前的模型假設整個電解質中的濃度是恆定的,電流傳輸僅透過離子遷移形成,這顯然是不真實的。

驅動電化學反應的重要因素之一就是反應部位附近的電解質組成。

要真正地研究電池和燃料電池的電化學特性,可能需要三次電流分佈介面。

它會考慮到濃度變化,非常好的描述電解質中的質量平衡和質量傳遞。

此外,對於三次電流分佈,電解質和孔隙電解質的組成可以與氣相中的材料平衡,和多孔電極與GDE 的氣孔中的材料平衡完全耦合。

這些還可以使用凝聚物和薄膜模型來描述,並包含透過孔隙電解質的物質傳遞。對於電池介面,還包含了特定的插層方程,用以描述電極顆粒中的傳遞現象。

分離板和電極中的材料可能也會在均相反應作用下發生反應,導致性能退化。

您可以利用化學物質傳遞介面模擬這些材料的化學反應,用於估計電池材料的老化對電池和燃料電池性能可能產生的影響。

電極和集流體中的電流傳導使用歐姆定律與電流守恆方程描述。

它可以表示電子導體(例如集流體和饋流體、電極、多孔電極和GDE)中的電阻損耗。

集流體和饋流體還可以使用薄導電層(也稱為殼)模擬,從而不必沿這些薄層的厚度方向進行網格剖分。

利用專用的電極介面,透過電荷轉移反應,電子導體中的電流平衡可以與電解質和孔隙電解質中的電流平衡耦合。


電池和燃料電池模型與其他物理場耦合

在電池與燃料電池模組中開發的模型還可以與COMSOL 模組套件中任何其他物理介面耦合。

透過耦合,您可以根據組件的性能和退化過程,獲得多方面的關鍵信息:集流體與饋流體、冷卻系統的設計和運行,電極、分離板和膜的最佳化以及熱管理。

CFD模組或熱傳模組的流體流動介面(支援紊流模擬),可以用於模擬鋰離子電池或高溫燃料電池(例如MCFCSOFC)的加熱和冷卻系統。

它們可能還需要表面對表面輻射的模型,這可由熱傳模組支援。

電化學阻抗譜(EISAC阻抗譜)、伏安法和電流中斷模擬和實驗的參數估計可以透過與最佳化模組的組合來完成。

模擬電極老化時的一個有趣耦合是考慮電極充放電過程中由於密度變化而產生的結構應力。

這些應力可以用於估計電極顆粒的微破裂程度,而顆粒微破裂會導致電導率損失,使電極的性能退化。


模擬所有類型電化學過程的物理介面

電池與燃料電池模組是唯一可以自由地模擬所有類型燃料電池和電池的模擬軟體,具有模擬所有類型電化學行為的強大功能。

該模組內包含了多種物理介面,它們模擬電化學過程本身或相關影響過程。

化學物質傳遞

電池和燃料電池中可以存在反應物質,之後轉換為各種不同的狀態和相態。

這包括以氣體、液體、固體形式在濃溶液與稀溶液電解質、混合物和固態溶液中存在的物質。

用於質量傳遞的電池與燃料電池模組介面可以模擬在一系列自由流道和多孔介質內的化學物質傳遞。

這包括平面電極、多孔電極和GDE 中的稀溶液或濃溶液和混合物等中的擴散、對流和電遷移現象。

在所有物理介面中,電遷移都是一個可選項,在三次電流分佈介面中透過Nernst-Planck 方程來表示。

在用於模擬鋰離子電池、鉛酸電池和二元電解質電池的物理介面中,還可透過與電解質相關的特定方式描述材料傳遞過程。

此外,還提供了一個特定的反應流介面,用於模擬與流動和化學反應直接耦合的化學物質傳遞過程。

 

電化學反應動力學

COMSOL 模型套件中的所有模組一樣,您可以在物理介面的編輯區域內定義您需要的任何方程,並使它們依賴於模型系統內的任意變量。

編輯電化學電荷傳遞反應式時,動力學表達式可以是以下變量的任意函數:化學物質濃度,溫度,以及電極-電解質界面處的局部電極電位和電解質電位。

電池與燃料電池模組提供了一些可幫助定義電極動力學的預定義物理介面。其中包括電解分析介面,這些介面對於模擬諸如AC阻抗之類的問題特別有幫助。

在二次和三次電流分佈介面中,提供了參數編輯區域用於描述平衡電勢、陽極與陰極電荷轉移係數、交換電流密度、對稱因子和化學計量係數等電極動力學參數。

此外,Butler-Volmer 方程和Tafel 表達式同樣預定義在介面中。

在三次電流分佈介面中,電活性物質的局部濃度透過濃度變量包含在反應表達式中。多孔電極和GDE 也在這些物理介面中得到處理,並可同時指定電極與電解質的有效電導率和各向異性。

 

電解質與電極中的電流平衡

電池和燃料電池的實際目的是將化學能轉化為電能,反之亦然(對於電池)。

轉換中的損耗應盡可能地小,老化也應保持在最低限度。為了設計和最佳化,模擬模型通常必須考慮電解質、薄膜和多孔電極中的離子傳遞,以及電極中的電子傳導,且都與電流守恆和電荷守恆相耦合。

一次和二次電流分佈介面假定離子僅在電場作用下遷移,而忽略擴散現象,不過它們仍然可以考慮多孔電極中濃度過電勢的近似解析表達式。

二次電流密度介面還可以與氣體擴散電極孔隙中的氣相傳遞過程全耦合計算(使用Maxwell-Stefan 方程)。

這將考慮孔隙電解質中的溶質在氣孔和活化部位之間的擴散(凝聚物模型或薄膜模型)。

三次電流分佈介面考慮在全部三種傳遞過程作用下的離子傳遞過程:擴散、對流和電遷移( Nernst-Planck 方程)。

因此,所有這些因素均包含在描述電流密度的公式中,雖然由於電中性通常會忽略對流作用。此機理也可耦合到電極-電解質界面上的電荷傳遞反應中,為您提供穩態、瞬態和頻域(EIS)的電壓分析結果。

電極和集流體中的電流傳導過程使用歐姆定律與電流守恆方程描述,並考慮多孔電極和GDE 中的導電過程。

電池與燃料電池模組還包含了一個薄層(殼)介面,它無需進行網格剖分,並可簡化薄集流體和饋流體中的電流傳導的模擬方法。

電池模擬中還可以考慮電子導電粒子、纖維或長絲等因素,以模擬電池中短路和熱失控的影響。

 

電池介面

電池與燃料電池模組中包含了一些用於模擬鋰離子電池的特定物理介面。

這包括一些額外的項和公式,用於描述顆粒內部的擴散(插層)過程和固體-電解質界面(SEI)

可以透過對電池正常運行時及不同工作條件下的SEI 生長進行模擬來模擬老化過程。

此外還提供了鉛酸電池介面,額外考慮了由於電池充放電而引起的電極孔隙率變化,以及由此引起的電解質平均表觀速度。

利用特定物理介面模擬二元電解質電池,考慮了濃溶液電解質和電中性約束,以及多孔電極顆粒中的粒子插層過程。該物理介面可用於模擬鎳金屬氫化物和鎳鎘電池。

 

流體流動

電池與燃料電池模組中的物理介面透過求解Navier-Stokes方程、Darcy定律和Brinkman方程來描述層流與滲流。

在模擬中,您可以透過CFD模組的流 體流動介面來考慮紊流和兩相流。


熱傳

電池與燃料電池模組的物理介面可模擬熱對流、熱傳導,以及由離子遷移引發的熱擴散。

焦耳熱介面考慮了活化損失的影響,並可與多孔介質熱傳介面一起使用。

它考慮了固相和液相的不同電導率,以及此類介質中出現的對流熱耗散過程。

透過與熱傳模組物理介面的結合,可以考慮高溫系統中的表面對表面輻射。

特點

 

一次、二次和三次電流分佈介面,用於描述自由和多孔介質中電解質和孔隙電解質的電流平衡

支援電解質的電中性公式或針對電荷平衡方程的泊松方程

稀溶液和濃溶液中的Nernst-Planck 方程

Nernst-Einstein 方程,用於關聯電解質的遷移率和擴散係數

Maxwell-Stefan 方程,用於描述以均質反應和電化學反應分別作為源與沉的氣體中的傳遞

電極歐姆定律和電流守恆

Nernst 方程,用於描述平衡電勢和濃度超電勢

電化學阻抗譜(AC 阻抗)的研究,包括雙電層電容的影響

化學計量和Faraday 定律,用於將物質與電流平衡自動耦合到電極反應

電極動力學,考慮活化過電勢和濃度過電勢

Butler-Volmer Tafel 方程,預定義的動力學表達式

固體電解質介面(SEI),可以根據工況條件改變界面厚度

電極顆粒的物質插層

多孔電極和GDE 模型的預定義公式,使用Bruggeman 關係式描述等效孔隙率和滲透率

凝聚物模型和薄膜模型,用於描述多孔電極和GDE 孔隙電解質中的傳遞過程

電極材料在電池運行時會溶解而引起孔隙率變化,可以將孔隙率表示為一個與電荷轉移反應耦合的模型變量

電流短路法研究

穩態和暫態模擬,求解器可根據電化學系統而自動調整

歐姆損耗產生的焦耳熱,以及由於電極和電解質的活化損耗而產生的熱量

自由和多孔介質的傳熱,包以及非等溫層流

使用Brinkman 方程描述多孔介質流道(例如在燃料電池雙極板和冷卻通道)與開放通道的預定義耦合

化學物質傳遞和反應,用於模擬電池材料(例如隔離膜)化學退化而產生的老化

電催化,包括吸收和解吸附

 

 

應用

 

設計和工況研究

鹼性燃料電池

直接甲醇燃料電池

熔融碳酸鹽岩燃料電池

質子交換膜(PEM) 燃料電池

固體氧化物燃料電池

氣體擴散電極(GDE)

 

燃料電池堆

鉛酸電池

鋰離子電池

鎳氫電池

電池組

集電器與餽電器

多孔電極

 

固體電解質

模擬和仿真

熱管理

電池熱擊穿

電池短路

由於結構、熱學和化學等效應引起的老化

 

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