Menu

Топливные ячейки
и электролизёры

Инструменты анализа топливных элементов и электролизёров

Модуль «Топливные ячейки и электролизёры» расширяет функционал базовой платформы COMSOL Multiphysics® и позволяет проводить детальный анализ процессов в топливных элементах и электролизёрах, необходимый при проектировании и оптимизации химических источников тока. Можно исследовать электрохимические системы топливных элементов различных типов, в том числе топливные элементы с твёрдым полимерным электролитом (ТЭТПЭ), щелочные топливные элементы (ЩТЭ) и твёрдооксидные топливные элементы (ТОТЭ), а также соответствующие системы электролиза воды. Таким образом, модуль содержит инструментарий для моделирования всех типов топливных элементов и электролизёров.

Здесь, как и в любом другом модуле линейки продуктов COMSOL, доступны встроенные инструменты мультифизического моделирования, которые позволяют учесть в расчётной модели многофазные течения, теплопередачу, термодинамические свойства и многие другие физические эффекты.

Связаться с COMSOL
Поле скорости в модели топливного элемента с ТПЭ показано с использованием цветовой палитры Rainbow.
Модель топливного элемента с твёрдым полимерным электролитом, мольная доля кислорода показана с помощью радужной цветовой палитры.

Водородные топливные элементы

В модуле «Топливные ячейки и электролизёры» представлены математические модели наиболее распространённых типов водородных топливных элементов. Модели описывают процессы в электродах, электролитах, а также коллекторах тока и фидерах. Можно моделировать ТЭТПЭ, ЩТЭ, ФКТЭ, ТЭРКЭ, ТОТЭ, высокотемпературные топливные элементы и другие типы.

Моделирование позволяет найти распределение электрического тока и потенциала, температуры и концентрации химических веществ в топливном элементе. На основе полученных данных можно спроектировать электрохимическую ячейку с наилучшими показателями эффективности и экономичности для заданных условий эксплуатации. Накопление воды в ячейке и неравномерное использование активной поверхности приводят к снижению эффективности и сокращению срока службы. Моделирование помогает исследовать эти и другие важные факторы. Дополнительно, можно проанализировать влияние микроскопических эффектов на процессы в газодиффузионных электродах и каталитических слоях, например наличие катализатора, распределение частиц по размерам и бимодальное распределение пор.

Водные электролизёры

Электролизёры можно использовать для производства водорода методом электролиза воды. Произведённый таким образом водород можно аккумулировать, а затем, когда появится спрос со стороны потребителей энергосети, использовать его в качестве топлива для генерации электричества в топливных элементах.

Конструкция электролизёров воды идентична конструкции водородных топливных элементов. Различаются эти устройства направлением протекающих в них процессов: в топливном элементе катод является положительно заряженным электродом, а в электролизёре — отрицательно. Математические модели, включенные в состав модуля «Топливные ячейки и электролизёры», описывают процессы в газодиффузионных электродах, активных каталитических слоях, электролитических сепараторах и биполярных пластинах с газовыми каналами.

Объёмная доля газовой фазы в водном электролизере показана с помощью сине-белого цветового градиента.
Для визуализации распределение плотности тока в модели твёрдооксидного электролизера используется радужная цветовая палитра Rainbow, а линии тока для потока массы водорода визуализируются с помощью цветового градиента от темносинего до белого.

Промышленные электролизёры

Функциональные возможности модуля «Топливные ячейки и электролизёры» не ограничены моделированием только электролиза воды. Инструменты модуля позволяют смоделировать электрохимическую ячейку или электролизёр любого типа. В том числе можно анализировать процессы образования газовой фазы и ламинарное течение многофазной среды. Для анализа турбулентных течений в хлоратных или хлорно-щелочных мембранных электролизёрах можно подключить модуль «Вычислительная гидродинамика».

Функциональные возможности модуля «Топливные ячейки и электролизёры»

Различные варианты анализа процессов в топливных элементах и электролизёрах.

Увеличенное изображение графической оболочки COMSOL Multiphysics с окном Add Physics и 3D-моделью топливного элемента в графическом окне.

Встроенные пользовательские интерфейсы

COMSOL Multiphysics® предлагает пользователям готовые пользовательские интерфейсы, в которых реализованы системы уравнений, а также настройки сеточного генератора, решателя и визуализации результатов. Представленные в модуле «Топливные элементы и электролизёры» интерфейсы предназначены для моделирования водородных топливных элементов и водных электролизёров.

При работе с интерфейсами Hydrogen Fuel Cell и Water Electrolyzers свойства переноса и параметры реакций на водородном и кислородном газодиффузионных электродах задаются автоматически. Пользователю остаётся только выбрать домены для электродов, электролита, сепаратора и газовых каналов. Можно добавить описание дополнительных химических компонентов, например, водяного пара или углекислого газа, и сопутствующих реакций на диффузионных электродах. Решение уравнений математической модели позволяет найти распределение электрического потенциала в электродах и электролите, а также рассчитать мольную долю компонентов газовой смеси в системе.

Увеличенное изображение дерева модели и графика для модели топливного элемента с твёрдооксидным электролитом.

Газодиффузионные электроды

Инструменты моделирования газодиффузионных электродов модуля «Топливные ячейки и электролизёры» настраиваются довольно просто. На основе заданных пользователем граничных условий уравнения переноса в газовой фазе и в пористом электролите, реализованные в интерфейсе, настраиваются автоматически. Имеются специальные узлы для задания параметров водородного и кислородного электродов. Уравнения основных электродных реакций уже встроены, но при этом пользователь может изменить модель кинетики и добавить описание сопутствующих и побочных реакций.

Интерфейс конвективной диффузии газовой фазы автоматически связывается с гидродинамическим интерфейсом для расчёта течения в газовых каналах. Для сквозного моделирования течения в газовом канале и в пористых структурах используются уравнения Бринкмана.

Кроме того, автоматически добавляются уравнения сохранения заряда в сплошном электролите (сепараторе) и в электролите, заполняющем поры активного слоя или газодиффузионных электродов. Эти уравнения связываются с уравнениями переноса в газовой фазе через уравнения электрохимических реакций и закон Фарадея.

Увеличенное изображение дерева модели и модели электролизёра с твердооксидным электролитом в графическом окне.

Встроенные термодинамические модели

Для разных процессов и условий эксплуатации состав газовых смесей в водородном и кислородном электродах может меняться. Модуль «Топливные ячейки и электролизёры» содержит встроенный набор термодинамических моделей для расчёта свойств топливной и окислительных смесей. Топливная смесь помимо водорода может содержать азот, воду, углекислый газ и окись углерода. Это вещества — продукты побочных реакций при производстве водорода методом конверсии углеводородов. В окислителе могут присутствовать те же дополнительные компоненты. Если состав задан и определены опорные значения парциального давления компонентов, тогда в COMSOL можно рассчитать равновесный электродный потенциал для анодных и катодных реакций, а значит и равновесный потенциал ячейки.

Увеличенное изображение дерева модели и одномерного графика первичного, вторичного и третичного распределения плотности тока в графическом окне.

Расчёт тока в электрохимической ячейке

В распределенных (1D, 2D и 3D) моделях можно учесть омические, активационные и диффузионные потери. В случае определяющего влияния диффузионных процессов доступны варианты моделей с фоновым электролитом, а также со слабым или сильным электролитом. Уравнения переноса и уравнения Нернста-Планка можно дополнить условием электронейтральности или уравнением Пуассона.

Для описания кинетики электродных реакций доступны встроенные уравнения Тафеля и Батлера-Фольмера, а также предусмотрена возможность задать собственные соотношения для расчёта перенапряжения и концентрации химических веществ. Таким образом, на поверхности электрода можно задать любое число реакций.

Интерфейсы для расчёта тока можно комбинировать с инструментами моделирования пористых, газодиффузионных или плоских электродов.

Увеличенное изображение дерева модели и графика для модели катода топливного элемента в графическом окне.

Многофазные течения в свободном объёме и пористых средах

В низкотемпературных топливных элементах и водных электролизёрах перенос воды и водяного пара, зачастую, осуществляется одновременно. Кроме того, воду, образующуюся в ячейках топливных элементов, необходимо отводить, чтобы избежать затопления электродов. Аналогично, при недостаточной интенсивности отвода газа, образующегося в результате электролиза воды, некоторые ячейки могут стать неактивными. Таким образом, крайне важно иметь возможность моделировать течение двухфазной среды в каналах и пористых электродах.

В состав модуля «Топливные ячейки и электролизёры» включены дисперсные модели многофазной смеси, пузырькового течения и Эйлера-Эйлера, а также модель переноса фазы в пористых средах. С помощью этих моделей можно описать многофазное течение как в пористых электродах, так и в свободном объёме газовых каналов. Дополнительную информацию о моделировании многофазных потоков можно найти на странице описания модуля «Вычислительная гидродинамика».

Увеличенное изображение дерева модели и модель топливного элемента с полимерным электролитом в графическом окне.

Теплопередача

В состав модуля «Топливные ячейки и электролизёры» включены также инструменты для решения уравнения сохранения энергии, которые позволяют рассчитать поле температуры в электрохимической системе. Источники теплоты, обусловленные электрохимическими и химическими реакциями, а также ионной и электронной проводимостью, рассчитываются автоматически и могут легко быть использованы для проведения теплового анализа. Кроме того, встроенные термодинамические модели позволяют без труда находить входные данные для моделирования систем управления тепловыми режимами водородно-кислородных элементов.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Связаться с COMSOL