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用於設計和性能分析的燃料電池和電解槽建模

燃料電池和電解槽模組 COMSOL Multiphysics 軟體的一個附加產品,可以説明使用者加深對燃料電池和電解槽系統的理解,這對於設計和優化電化學電池非常有用,經常被研究的系統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)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC),以及相應的水電解系統。注意,本模組適用於所有類型的燃料電池和電解槽。

COMSOL 產品庫中的每一款產品一樣,其中也內置了多物理場功能,包括多相流、傳熱、熱力學屬性,等等。

燃料電池和電解槽模組支援的建模物件

氫燃料電池

燃料電池和電解槽模組針對最常見的氫燃料電池類型預定義了許多公式,可用於分析電極、電解質以及集流體和饋線。支持各種燃料電池類型,典型示例包括 PEMFCAFCPAFCSOFCMCFC 和高溫質子交換膜燃料電池等。

用戶可以使用建模和模擬來預測燃料電池中的電流和電位分佈、化學物質分佈和溫度分佈。通過這種方式,可以將電池設計為在一組給定條件下達到最佳的利用率和工作狀態。其中重要的因素是去除水分並避免電池的利用率不均勻,因為這可能導致性能下降和壽命縮短。此外,用戶還可以研究氣體擴散電極和活性層的微觀形貌,例如催化劑載量、細微性分佈和雙孔分佈。

可以進行零維、一維、二維和三維的穩態和瞬態分析。此外,使用者還可以在頻域中建立基於物理場的模型來類比阻抗譜實驗。

 

水電解槽

由於風能和太陽能的成本不斷降低,電解槽的產量得到了大幅提升。這也意味著,在風和太陽的作用下,會有更多的電力過剩;而將這些電能存儲在電池中是非常昂貴的。取而代之的是,人們可以使用電解槽通過水電解方式由電產生氫。

水電解槽的設計與氫燃料電池類似,不同點在於,和燃料電池相比,其電流方向相反,陰極為負極,陽極為正極。燃料電池和電解槽模組中的模型描述了氣體擴散電極、活性層、電解質隔膜和帶有通道的雙極板,它們可以在單電池和電池組級別進行定義。

和燃料電池一樣,這些模型也基於物理場,並涵蓋零維、一維、二維和三維模式,可用於分析電解槽的穩態和瞬態工作情況。

工業電解槽

燃料電池和電解槽模組的功能並不僅限於水電解槽,它還可以為任何電化學電池或電解槽進行建模,包括描述氣體逸出和層流多相流的功能。對於氯酸鹽電解和氯堿膜工藝等系統,該模組可以與“CFD 模組相結合,用於處理湍流。

 

燃料電池和電解槽模組的特徵和功能

燃料電池和電解槽模組對燃料電池和電解槽中發生的輸運方程、化學反應和電化學反應進行了詳細的說明,為氣體擴散電極、孔隙電解質、電解質(隔膜)和雙極板(這些系統中的主要組成)建立了模型方程。這意味著,可以對電池進行零維、一維、二維或全三維建模,模擬平穩運行期間或完全的瞬態實驗和工作過程。

一次、二次和三次電流分佈

與空間相關的模擬(一維、二維和三維)可以解釋歐姆損耗(一次)、歐姆和活化損耗(二次),以及歐姆、活化和品質傳遞損耗(三次)。對於三次電流分佈,用戶可以定義具有支援電解質、稀釋電解質和高濃度電解質的系統。輸運方程(即 Nernst-Planck 方程)可以同電中性條件或泊松方程結合使用。

用戶可以使用 Tafel 方程、Butler-Volmer 方程或者過電位和化學物質濃度的任意函數來定義電極動力學;並可以在電極表面定義多種反應(任意數量)。

這些電流分佈介面可以與多孔電極、氣體擴散電極和平面電極結合使用。

 

氣體擴散電極

使用燃料電池和電解槽模組對氣體擴散電極(GDE)建模非常簡單。軟體會根據添加的邊界條件,在使用者介面中自動定義氣相和孔隙電解質中的輸運方程;其中提供單獨的域特徵用於定義氫電極和氧電極。主要的電極反應是預定義的,但用戶可以更改動力學並添加雙反應和寄生反應。

氣相中的物質傳遞可以與氣體通道中的傳遞實現自動耦合。通過使用 Brinkmann 方程為氣體通道和多孔結構定義流體流動,可以模擬完全耦合的自由和多孔介質流動。

除此之外,軟體還定義了電解質(隔膜)和孔隙電解質(活性層或 GDE 中的電解質)中的電荷平衡,它們通過電化學反應和法拉第定律自動耦合到氣相輸運方程。

 

自由和多孔介質中的多相流和單相流

低溫燃料電池和水電解槽中的一種特殊現象是液態水和氣態水(蒸汽)同時進行傳遞。在燃料電池中,流動也需要從電池中去除水分,從而避免電極溢流。同樣,在水電解過程中,如果產生的氣體傳遞不充分,可能會使電池的某些部分失活。在這兩種情況下,類比多孔電極和開放通道中的兩相流非常重要。

燃料電池和電解槽模組包含混合物、氣泡流和 Euler-Euler 模型,專門用於對分散多相流和多孔介質相傳遞進行分析。這些模型可以類比多孔介質(電極)和開放自由介質(通道)中的多相流。有關這些多相流模型的更多資訊,請查看 CFD 模組頁面。

 

內置熱力學

氫、氧電極中的氣體混合物含量可能因工藝和工作條件的不同而有所不同。燃料電池和電解槽模組包含一個內置的熱力學屬性資料庫,用於分析氫混合物和氧混合物。氫混合物可以包含氮、水、二氧化碳和一氧化碳作為附加物質,從而實現不僅可以對氫進行建模,還可以模擬重整反應的副產物。氧混合物中也有同樣的附加物質。當用戶選擇組分並定義參考分壓後,軟體可以計算氫、氧電極反應的平衡電極電位,從而計算出電池的平衡電位。

熱傳

燃料電池和電解槽模組包含內置的能量平衡定義。在傳熱分析中,軟體可以自動添加由電化學反應、離子和化學物質傳遞以及電流傳導產生的熱源和熱沉。不僅如此,使用者還可以通過熱力學資料庫輕鬆獲取用於氫氧電池熱管理模擬的輸入資料。

 

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示被动式质子交换膜模型的“模型开发器”、“电化学热”设置和温度分布图。

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