Модуль Аккумуляторы и топливные элементы (Batteries & Fuel Cells)

Модуль Аккумуляторы и топливные элементы (Batteries & Fuel Cells)

Программное обеспечение для моделирования работы аккумуляторов и топливных элементов

<p>Модуль Аккумуляторы и топливные элементы (Batteries &amp; Fuel Cells)</p>

Температурный профиль нагрева для батарейного блока на основе цилиндрического литий-ионного аккумулятора с воздушным охлаждением. Тепловая модель сопряжена с электрохимическими реакциями и ионным потоком, выполняющими функцию теплового источника.

От аккумуляторов и топливных элементов требуется повышенная энергоемкость и более длительный срок службы

Аккумуляторы и топливные элементы обычно работают в очень сложных условиях, следовательно, они должны быть эффективными и энергоемкими, а также должны долго служить. Эти требования оказывают растущее давление на соответствующие отрасли. Поэтому моделирование быстро становится одним из необходимых инструментов для разработки, проектирования, оптимизации, обеспечения качества и надежности аккумуляторов и топливных элементов. Примеры систем, которые можно исследовать, включают в себя свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-металл-гидридные аккумуляторы, твердооксидные и прямые метанольные топливные элементы, и топливные элементы с протоннообменной мембраной.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов (Batteries & Fuel Cells Module) моделирует базовые электрохимические свойства в электродах и электролитах аккумуляторов и топливных элементов. Он позволяет исследовать их характеристики в разных рабочих условиях, конструктивные конфигурации и износ из-за действия различных механизмов старения. Использование этого модуля расширения позволяет моделировать такие характеристики, как перенос заряженных и нейтральных частиц, электропроводность, поток текучей среды, теплопередачу, характер и движущие силы электрохимических реакций в плоском и в пористом электродах. Понимание этих характеристик делает возможным разработку и оптимизацию геометрии и выбор материалов для электродов, сепараторов, мембран, электролита, токосъемников и питателей вашей системы с учетом эксплуатационных характеристик, терморегуляции и безопасности.


Дополнительные изображения с примерами:

  • Температурное поле в литий-ионном аккумуляторном блоке для применения в двигателях внутреннего сгорания. Показаны изоповерхности температур и температурный профиль потока жидкости в каналах системы охлаждения. Температурное поле в литий-ионном аккумуляторном блоке для применения в двигателях внутреннего сгорания. Показаны изоповерхности температур и температурный профиль потока жидкости в каналах системы охлаждения.
  • Распределение концентраций кислорода и топлива в каналах и газодиффузионные электроды топливного элемента с протонообменной мембраной. Распределение концентраций кислорода и топлива в каналах и газодиффузионные электроды топливного элемента с протонообменной мембраной.
  • Расход и перепад давления в батарее топливных элементов. Расход и перепад давления в батарее топливных элементов.
  • Концентрация электролитической соли во время разрядки свинцово-кислотного аккумулятора при 20 °С. Концентрация электролитической соли во время разрядки свинцово-кислотного аккумулятора при 20 °С.
  • Функция интеркалатных материалов в интерфейсе литий-ионных аккумуляторов используется здесь для описания двух разных интеркалатных материалов в отрицательном электроде. Исследуются эксплуатационные характеристики аккумулятора во время разрядки на предмет различных смешанных фракций двух интеркалатных материалов в отрицательном электроде. Функция интеркалатных материалов в интерфейсе литий-ионных аккумуляторов используется здесь для описания двух разных интеркалатных материалов в отрицательном электроде. Исследуются эксплуатационные характеристики аккумулятора во время разрядки на предмет различных смешанных фракций двух интеркалатных материалов в отрицательном электроде.
  • Исследование электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС) полностью смоделированного трехмерного твердооксидного топливного элемента. Кривые возрастают при увеличении разницы между двумя показателями плотности обменного тока. Исследование электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС) полностью смоделированного трехмерного твердооксидного топливного элемента. Кривые возрастают при увеличении разницы между двумя показателями плотности обменного тока.

Усложнение моделей аккумуляторов и топливных элементов

Начнем с простого

При создании модели нового объекта с нуля или даже модели аккумулятора или топливного элемента, которые уже были развернуты в вашем приложении, необходимо начать с простого, а затем постепенно усложнять процесс моделирования. Обычно это означает изучение характеристик устройства с помощью модели первичного распределения тока. Такая модель позволяет упростить электрохимическую реакцию, рассматривать электролит и другие компоненты в качестве проводников с сопротивлением и применять к ним закон Ома. Модели первичного распределения тока обеспечивают отличную обратную связь по геометрии вашего устройства и могут быть использованы для получения показаний по терморегуляции и даже структурной целостности с учетом теплового расширения.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит специализированные интерфейсы в составе графического пользовательского интерфейса COMSOL Desktop® для целого ряда физических формул. Интерфейс первичного распределения тока, также известный как физический интерфейс, содержит соответствующие поля для определения свойств материала, например, удельной проводимости электродов и электролита, для разных компонентов конструкции вашего аккумулятора или топливного элемента. Кроме того, он легко объединяется с физическими интерфейсами, описывающими другие характеристики, например, Джоулев нагрев или анализ тепловых напряжений, которые могут находиться в этом модуле, в пакете COMSOL Multiphysics или в одном из других модулей, основанных на физических процессах.

Исследование электрохимических характеристик системы

При повышении уровня сложности вашего исследования, кинетические характеристики электрохимических реакций в значительной мере зависят от микроструктуры электродов, материала электрокатализатора и состава электролита. Существует совсем немного баз данных материалов, в которых перечислены кинетические параметры электрохимических реакций, поэтому электрохимики проводят опыты, чтобы найти эти параметры конкретно для своего устройства. Проведение тщательных и контролируемых опытов в закрытых системах, таких как аккумуляторы и топливные элементы, представляет сложность, особенно с учетом целого ряда различных физических параметров, которые могут влиять на электрохимический процесс. Чтобы получить точные описания этих кинетических параметров, зачастую нужно сравнивать свои опыты с моделями такого же экспериментального процесса и уделять максимум внимания фактическим значениям этих параметров. Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит физические интерфейсы, которые имитируют эти опыты, например, циклическую вольтамперометрию и электрохимическую импедансную спектроскопию (ЭИС или переменнотоковый импеданс), а также инструменты для импорта данных, нанесения их на график и даже выполнения оценки их параметров (для этого требуется модуль оптимизации (Optimization Module))

После определения электрохимических кинетических характеристик можно использовать их в исследовании аккумуляторов и топливных элементов с помощью моделей вторичного распределения тока. В этих моделях на электрохимические реакции непосредственно влияет механизм переноса заряда и активационных перенапряжений. Такие модели обеспечивают лучшие показания рабочего напряжения и тока вашей системы и полезны при выборе материалов для электрода и электрокатализатора, при этом они позволяют включать потери, вызванные активационным перенапряжением, в любое термическое исследование, которое может быть проведено.

Кроме того, интерфейс вторичного распределения тока может быть полностью связан с интерфейсами переноса химических частиц, описывающими перенос частиц в газовых порах, например, в газодиффузионных электродах. В описании газодиффузионных электродов перенос растворенных газов в пористом электролите и их перенос на активные участки может объясняться с помощью моделей с агломератом или тонкопленочных моделей. Тогда перенос газа в порах также объединяется с переносом и потоком в газовом канале, например, в биполярных пластинах топливного элемента.

Гомогенные реакции можно объяснить с помощью кинетических выражений в интерфейсе массообмена модуля аккумуляторов и топливных элементов, где можно определить произвольные элементы поглотителя и источника. Либо же их можно определить в физических интерфейсах модуля разработки химических реакций (Chemical Reaction Engineering Module) и связать с вашей моделью аккумулятора или топливного элемента.

Полное представление всего процесса

Предыдущие типы моделей допускают, что концентрация является постоянной во всем электролите, и что текущий перенос происходит только из-за миграции ионов, что явно не соответствует действительности. Одним из важных факторов, запускающих электрохимическую реакцию, является состав электролита вблизи реагирующих участков. Чтобы действительно изучить электрохимические характеристики аккумулятора и топливного элемента, может потребоваться исследование третичного распределения тока. Это позволяет учесть изменения концентрации и включает качественное описание балансов материалов и перенос в электролите.

Что касается третичного распределения тока, состав электролита и пористого электролита может быть полностью связан с балансами материалов в газовой фазе и в газовых порах в пористых электродах и газодиффузионных электродах. Используются модели с агломератами или тонкопленочные модели для описания переноса частиц через пористый электролит. В случае с аккумуляторами также используются специальные интеркалатные уравнения для объяснения переноса частиц электрода.

Материалы в сепараторах и электродах могут также вступать в гомогенные реакции, в результате чего может наблюдаться ухудшение производительности. Интерфейсы переноса химических частиц позволяют моделировать химические реакции этих материалов для оценки того воздействия, которое может оказывать старение материалов элементов на производительность аккумуляторов и топливных элементов.

Проводимость электрического тока в электродах и в токосъемниках описывается законом Ома и уравнениями сохранения тока. Здесь учитываются омические потери в электронных проводниках, таких как токосъемники и питатели, электроды, пористые электроды и газодиффузионные электроды. Токосъемники и питатели можно также моделировать с помощью тонких проводящих слоев, называемых иначе оболочками, что позволит избежать построения сетки вдоль толщины этих тонких слоев. Балансы токов в электронных проводниках можно связать с балансами токов в электролите и пористом электролите посредством реакций переноса заряда с помощью специальных электродных интерфейсов.

Интеграция моделей аккумуляторов и топливных элементов с другими физическими интерфейсами

Модели, созданные в модуле аккумуляторов и топливных элементов, можно интегрировать в физические интерфейсы любых других модулей пакета COMSOL. Такая интеграция позволяет обнаружить важную информацию, касающуюся разработки и работы токосъемников и питателей, систем охлаждения, оптимизации электродов, сепараторов и мембран, а также терморегуляции относительно эксплуатационных характеристик и износа компонентов из-за старения.

Интерфейсы потока текучей среды из модуля вычислительной гидродинамики (CFD Module) или модуля теплопередачи (Heat Transfer Module), которые поддерживают имитацию турбулентного потока, могут быть использованы в моделировании систем нагрева и охлаждения литий-ионных аккумуляторов или высокотемпературных топливных элементов, например, топливных элементов на расплаве карбонатов и твердооксидных топливных элементов. Для них могут потребоваться формулы для излучения «от поверхности к поверхности», которое поддерживается модулем теплопередачи. Оценку параметров после электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС или спектроскопии переменнотокового импеданса), вольтамперометрии, экспериментов и имитаций отключения тока можно выполнить в сочетании с модулем оптимизации (Optimization Module). Интересным дополнением для моделирования старения электродов послужит добавление структурных напряжений, вызванных изменениями в плотности во время зарядки и разрядки электродов. Эти напряжения можно использовать для оценки размера микротрещин в частицах электрода, которые приводят к потере электрической проводимости, что ухудшает эксплуатационные характеристики электрода.

Интерфейсы физик для моделирования всего многообразия электрохимических свойств

Модуль аккумуляторов и топливных элементов - это единственное программное обеспечение, которое можно использовать для моделирования всех типов топливных элементов и аккумуляторов, с самыми надежными функциями для имитации всех видов электрохимических свойств. В этом продукте содержится ряд физических интерфейсов, которые моделируют либо сами электрохимические процессы, либо окружающие процессы, воздействующие на них.

Перенос химических частиц

Реагирующие частицы аккумуляторов и топливных элементов могут переходить во множество разных состояний и фаз. Сюда входит состояние в виде газов, жидкостей и твердых тел, существование в концентрированных или разведенных электролитах, смесях и твердых растворах. Интерфейсы модуля аккумуляторов и топливных элементов для переноса материалов моделируют перенос химических частиц через множество несвязанных и пористых сред. Сюда относятся диффузия, конвекция и миграция в разведенных и концентрированных растворах и смесях, в плоских, пористых электродах и газодиффузионных электродах.

Термин «миграция» используется во всех физических интерфейсах и учитывается в интерфейсе третичного распределения тока с помощью интерфейса уравнений Нернста-Планка. Перенос материалов в физических интерфейсах моделирования литий-ионных, свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторов с бинарным электролитом также описан определенными способами, в зависимости от типа аккумуляторов. Имеется также специальный интерфейс реагирующего потока для моделирования переноса химических частиц, непосредственно связанного с потоком и химическими реакциями.

Кинетика электрохимических реакций

Как и во всех модулях пакета COMSOL, любое уравнение можно определить в полях редактирования физических интерфейсов и сделать их зависимыми от любой переменной в смоделированной вами системе. Если это выполняется для электрохимических реакций переноса заряда, кинетические выражения могут быть произвольными функциями концентрации и температуры химических частиц, а также локальными электродными и элекролитными потенциалами на границе электрод-электролит.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит предопределенные физические интерфейсы, которые помогают определять эти кинетические выражения. Сюда входят интерфейсы электроанализа, которые особенно полезны, например, для моделировании переменнотокового импеданса. В интерфейсах вторичного и третичного распределения тока имеются поля редактирования для электродных кинетических параметров равновесного потенциала, анодного и катодного коэффициентов переноса заряда, плотности обменного тока, фактора симметрии и стехиометрии. Имеются также предопределенные выражения для выражений Батлера-Фольмера и Тафеля. В интерфейсе третичного распределения тока локальная концентрация электроактивных частиц входит в выражения реакции благодаря использованию переменных для концентрации. Эти физические интерфейсы также подходят для пористых и газодиффузионных электродов, так как в них можно определить эффективную проводимость электролитов и электродов, а также анизотропные свойства.

Балансы токов в электролитах и электродах

Практическое назначение аккумуляторов и топливных элементов заключается в упрощении преобразования химической энергии в электрическую, и наоборот (в случае аккумуляторов). Потери при этом преобразовании должны быть наименьшими, а старение должно быть сведено к минимуму. Имитации, которые будут использованы для разработки и оптимизации, зачастую должны включать в себя эффекты переноса ионов в электролите, мембранах и пористых электродах и электронную проводимость в электродах, все это в сочетании с сохранением тока и заряда.

Интерфейсы первичного и вторичного распределения тока допускают, что ионы перемещаются только при воздействии электрического поля, без учета диффузии, хотя они все же могут включать в себя приближенные аналитические выражения для концентрационных перенапряжений в пористых электродах. Интерфейс вторичного распределения плотности тока при использовании уравнения Максвелла-Стефана также может быть полностью связан с газофазным переносом в порах газодиффузионных электродов. Используются модели с агломератами или тонкопленочные модели для диффузии растворенных частиц в пористом электролите между газовыми порами и активными участками.

В интерфейсе третичного распределения тока учитывается перенос ионов под воздействием всех трех процессов переноса материалов: диффузии, конвекции и миграции по уравнениям Нернста-Планка. Поэтому все эти процессы включены в формулы, описывающие плотность тока, хотя конвекция обычно уравновешивается электронейтральностью. Эта формула также связана с реакциями переноса заряда на границе электрод-электролит и дает результаты для напряжения элемента, поскольку оно соотносится с током элемента для анализа стационарных и переходных процессов и частотного анализа.

Прохождение электрического тока в электродах и в токосъемниках описывается с помощью закона Ома в сочетании с уравнениями сохранения тока, включая электропроводность в пористых и газодиффузионных электродах. Интерфейс, упрощающий моделирование электропроводности в тонких токосъемниках и питателях при использовании тонких слоев (оболочек) без построения на них сетки, также включен в модуль аккумуляторов и топливных элементов. Кроме того, в топливном элементе могут содержаться электронные проводящие частицы или волокна для моделирования эффектов короткого замыкания и теплового пробоя в аккумуляторах.

Интерфейсы аккумуляторов

В модуль аккумуляторов и топливных элементов входят специальные физические интерфейсы для моделирования литий-ионных аккумуляторов. В них содержатся дополнительные условия и формулы для описания внутренней диффузии частиц (интеркаляция) и границы электролит - твердое тело (SEI), которая имеет толщину и используется как переменная модели. Увеличение границы твердое тело - электролит во время работы и при различных рабочих условиях может быть смоделировано для имитации старения. Также имеется интерфейс свинцово-кислотных аккумуляторов, где дополнительно учитываются изменения пористости в электродах из-за зарядки и разрядки аккумулятора и средняя приведенная скорость электролита, вызванная этими изменениями пористости. Аккумуляторы с бинарным электролитом лучше всего моделируются в специальном физическом интерфейсе, в котором рассматриваются концентрированные электролиты и ограничения, которые накладывает электронейтральность на перенос ионов в таких системах, а также интеркаляция частиц в элементах, образующих пористые электроды. Этот физический интерфейс полезен для моделирования никель-металл-гидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов.

Поток текучей среды

Ламинарный поток и поток жидкости в пористой среде рассматриваются в модуле аккумуляторов и топливных элементов в физических интерфейсах, где решаются уравнения Навье-Стокса, закона Дарси и Бринкмана. Можно учесть турбулентный и двухфазный поток, включив в имитацию интерфейсы потока текучей среды из модуля вычислительной гидродинамики (CFD Module).

Теплопередача

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит физические интерфейсы для моделирования теплопередачи посредством конвекции, теплопроводности и тепловой диффузии вследствие воздействия миграции ионов. Существует специальный интерфейс Джоулева нагрева, включающий в себя влияние активационных потерь, а также интерфейс для моделирования теплопередачи в пористой среде. Он учитывает различные проводимости в твердой и жидкой фазах, вместе с конвективным рассеиванием тепла, происходящим в среде такого типа. Излучение «от поверхности к поверхности» может приниматься в расчет в высокотемпературных системах посредством связи ваших моделей с физическими интерфейсами в модуле теплопередачи (Heat Transfer Module).

Highly Accurate Li-ion Battery Simulation

Battery Simulation Propels Electric Cars in China

Thermal Modeling of a Cylindrical Lithium-Ion Battery in 3D

2D Lithium-Ion Battery

Capacity Fade of a Lithium-Ion Battery

1D Lithium-Ion Battery Impedance Model

All-Solid-State Lithium-Ion Battery

Soluble Lead-Acid Redox Flow Battery

Current Density Distribution in a Solid Oxide Fuel Cell

Liquid-Cooled Lithium-Ion Battery Pack

Cyclic Voltammetry

Internal Short Circuit of a Lithium-Ion Battery