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"燃料電池與電解槽模組"是COMSOL Multiphysics®軟體的一個額外功能，可以幫助您更深入了解燃料電池和電解槽系統的運作原理，以便設計和優化化學電池。此模組適用於研究各種類型的燃料電池和電解槽，包括質子交換膜燃料電池（PEMFC）、氫氧化物交換（鹼性）燃料電池（AFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），還有相對應的水電解槽系統等。

 

就像COMSOL產品庫中的其他產品一樣，這個模組內建多物理場功能，包括多相流體流動、傳熱、熱力學特性等。



氫燃料電池


"燃料電池與電解槽模組"提供許多功能，專門針對最常見的氫燃料電池，用來分析電極、電解質以及集流體和饋線。它支援各種不同型態的燃料電池模型建立，比如 PEMFC、AFC、PAFC、SOFC、MCFC 以及高溫質子交換膜燃料電池等等。

 

使用者可以透過建模和模擬，來預測燃料電池內的電流和電位分布、化學物質分布，以及溫度分布。透過這種方式，你可以根據給定的條件，來設計電池，以達到最佳的使用效率和工作狀態。在設計過程中，一個重要的考慮因素就是要排除水分，避免電池的使用效率不均，因為這可能會導致性能下降，還會縮短電池壽命。此外，使用者還可以研究氣體擴散電極和活性層的微觀形貌，像是觸媒載量、粒度分布以及雙孔分布等等。



水電解槽


通常來說，我們可以利用水電解槽透過電解水產生氫氣。當電網有需求與容量時，這些氫氣就能被儲存下來，然後再透過燃料電池轉化回電能。

 

水電解槽的設計和氫燃料電池相似，但有一點不一樣的地方就是，與燃料電池相比，水電解槽的電流方向是相反的，陰極是負極，陽極是正極。"燃料電池與電解槽模組"裡的模型描述了氣體擴散電極、活性層、電解質隔膜，以及帶有通道的雙極板。



工業電解槽


"燃料電池與電解槽模組"的功能並不僅止於水電解槽：任何電化學電池或電解槽都可以進行模型建立。這包括能夠描述氣體生成以及層流多相流的能力。對於像是氯酸鹽電解和氯鹼膜工藝等系統，模組可以和流體動力學模組結合起來，也能夠處理湍流。


"燃料電池與電解槽模組"的特點與功能

利用COMSOL®軟體，進行各種燃料電池和電解槽的分析


內建使用者介面

COMSOL Multiphysics®提供了預先建置的使用者介面組合，其中包括一組方程式定義以及網格生成、求解器和結果的設定。對於燃料電池和電解水模組，這包括氫燃料電池和水電解器。

 

透過選擇任何一個氫燃料電池和水電解器的介面，氧氣和氫氣擴散電極的傳輸和反應特性會自動被定義。您只需選擇電極、電解質、分隔板和氣體通道的領域。您還可以選擇要添加到氧氣和氫氣擴散電極的化學物種和雙重反應，例如蒸汽或二氧化碳。模型方程式解釋了系統中電極（電子導電）和電解質相（離子導電）的電位以及系統中氣體混合物的物質莫耳分數。

 

COMSOL Multiphysics®的這些內建使用者介面可以簡化您建立和模擬燃料電池和電解水系統的過程，並提供了方便的選項和設定，以使模擬更加準確和方便。

主要、次要和三次電流分佈

在空間相依性模擬（1D、2D和3D）中，可以考慮到歐姆損失（primary）；歐姆損失和活化損失（secondary）；以及歐姆損失、活化損失和質量傳輸損失（tertiary）。對於tertiary電流分佈，可以定義具有支持電解質、稀釋電解質和濃縮電解質的系統。運輸方程式，也就是Nernst-Planck方程式，可以與電中性條件或泊松方程結合使用。

 

電極動力學可以使用Tafel方程式、Butler-Volmer方程式或過電位和化學物種濃度的任意函數來定義。在電極表面上可以定義多個反應（任意數量）。

 

電流分佈介面可以與多孔電極、氣體擴散電極和平板電極結合使用。


氣體擴散電極（Gas Diffusion Electrodes）

的建模在燃料電池和電解水模組中非常直觀。在使用者介面中，根據添加的邊界條件，氣相和孔隙電解液中的運輸方程式會自動被定義。軟體中包含了單獨的區域功能，用於定義氫氣電極和氧氣電極。主要的電極反應已經預先定義，但您可以改變動力學並添加雙反應和副反應。

 

氣相中物種的傳輸自動與氣體通道中的傳輸耦合。流體流動使用Brinkman方程式在氣體通道和多孔結構中進行定義，以模擬完全耦合的自由流體和多孔介質流動。

 

在電解液（分隔板）和孔隙電解液（活性層或氣體擴散電極中的電解液）中的電荷平衡也被定義。它們通過電化學反應和法拉第定律自動與氣相中的運輸方程式相耦合。

自由介質與多孔介質中的多相流與單相流

在低溫燃料電池和水電解槽中，液態和氣態水（蒸汽）的同時傳輸是一個特定現象。在燃料電池中，流動也需要將水從電池中排出，以避免電極淹水。同樣地，在水電解過程中，產生的氣體傳輸不足可能使電池的某些部分失去活性。在這兩種情況下，對於多孔電極和開放通道中的兩相流進行建模是很重要的。

 

燃料電池與電解槽模擬模組具備混合流、氣泡流和Euler-Euler模型，用於模擬分散的多相流動，以及多相媒質中的相傳輸。它們允許在多孔介質（電極）和開放介質（通道）中進行多相流建模。欲了解更多有關這些多相流模型的資訊，請查閱CFD模組。


內建熱力學

在不同的過程和不同的操作條件下，氫氣和氧氣電極中的氣體混合物的組成可能會有所不同。燃料電池和電解水模組中包含了用於氫氣混合物和氧氣混合物的內建熱力學性質資料庫。氫氣混合物中可以包含氮氣、水、二氧化碳和一氧化碳等額外的物種，以模擬氫氣製程中的副產物。氧氣混合物也有相同的額外物種可選。當選擇組成並定義參考分壓時，軟體可以計算氫氣和氧氣電極反應的平衡電極電位，從而也可以計算出電池的平衡電位。

熱傳遞(Heat Transfer)

在使用燃料電池和電解水模組時，能量平衡的定義是內建的。熱源和熱沉源源於電化學反應、離子和化學物種的運輸，以及電流導電，可以在熱傳遞分析中自動添加。此外，熱力學資料庫使得獲取氫氧電池熱管理模擬的輸入資料變得輕鬆簡單。

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