Семейство продуктов COMSOL®

Добейтесь повышения энергетической эффективности с помощью модуля
«Топливные ячейки и электролизёры»

Моделирование и анализ эффективности топливных элементов
и электролизёров при проектировании

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 разных типов, в том числе топливные элементы с твердым полимерным электролитом (ТЭТПЭ), щелочные топливные элементы (ЩТЭ), топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРКЭ) и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), а также соответствующие системы для 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.

Область применения модуля «Топливные ячейки и электролизёры»

Водородные топливные элементы

В модуле «Топливные ячейки и электролизёры» представлены готовые математические модели для наиболее распространённых типов водородных топливных элементов, которые описывают процессы в электродах, электролитах, а также коллекторах тока и фидерах. Можно моделировать такие типы топливных элементов, как ТЭТПЭ, ЩТЭ, ТЭРКЭ, ТОТЭ и высокотемпературные топливные элементы, и этот список можно продолжить.

Моделирование применяется для анализа распределения электрического тока и потенциала, поля температуры и концентрации химических веществ в топливном элементе. Полученные результаты анализа помогут спроектировать электрохимическую ячейку с наилучшими показателями эффективности и экономичности для заданных условий эксплуатации. В качестве важных факторов, которые приводят к снижению эффективности и сокращению срока службы электрохимических систем, можно выделить накопление воды в ячейке и неравномерное использование активной поверхности, и эти факторы можно исследовать с помощью моделирования. Кроме того, расчётная модель позволяет проанализировать влияние различных микромасштабных факторов, таких как наличие катализатора, распределение частиц по размерам и бимодальное распределение пор, на процессы в газодиффузионных электродах и в активных каталитических слоях.

Расчётные модели позволяют анализировать стационарные и переходные процессы в областях разной пространственной размерности, начиная с нульмерных и заканчивая полноразмерными трёхмерными. Кроме того, для моделирования спектроскопии электрохимического импеданса задачи могут быть сформулированы для решения в частотной области.

Модель топливного элемента с твёрдым полимерным электролитом, построенная с помощью COMSOL Multiphysics с модулем «Топливные ячейки и электролизёры». Распределение мольной доли кислорода в сечении каналов и газодиффузионного электрода топливного элемента с твёрдым полимерным электролитом.

Водные электролизёры

Снижение себестоимости ветряной и солнечной электроэнергии привело к увеличению производства электроэнергии в отдаленных районах, ёмкость энергосети которых может быть ограничена. Это означает, что сеть не может потреблять всю вырабатываемую электроэнергию, когда дует ветер и светит солнце. В этом случае могут помочь электролизёры, которые будут расходовать избыток электроэнергии для производства водорода методом электролиза воды. Произведённый таким образом водород можно аккумулировать, чтобы затем использовать его в качестве топлива для генерации электричества в топливных элементах, когда появится спрос со стороны потребителей энергосети.

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. Можно строить расчётные модели как для отдельных электролизных ячеек, так и для целого стека. Расчётные модели электролизёров позволяют анализировать стационарные и переходные процессы в областях разной пространственной размерности, начиная с нульмерных и заканчивая полноразмерными трёхмерными.

Для визуализации распределение плотности тока в модели твёрдооксидного электролизера используется цветовая палитра Rainbow, а линии тока для потока массы водорода визуализируются с помощью цветового градиента от темносинего до белого. Распределение плотности тока в средней плоскости электролитического сепаратора и линии тока для потока массы водорода в твёрдооксидном электролизёре. Цветом показано распределение парциального давления водорода вдоль линий тока. Плотность тока уменьшается в тех областях, где повышается концентрационное перенапряжение реакции образования водорода.

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»

В модуле «Топливные ячейки и электролизёры» используются общие формулировки уравнений переноса, а также уравнений химических и электрохимических реакций, которые протекают в топливных элементах и электролизёрах. Модельные уравнения описывают процессы в газодиффузионных электродах, пористых электролитах, электролитах-сепараторах и биполярных пластинах, то есть во всех основных элементах конструкции электрохимических систем. Это означает, что можно строить 0D, 1D, 2D или полностью 3D стационарные или нестационарные модели электрохимических ячеек.

Расчет тока в электрохимической ячейке

В распределенных (1D, 2D и 3D) моделях можно учесть омические потери (Primary Current Distribution); омические и активационные потери (Secondary Current Distribution); а также омические, активационные и диффузионные потери (Tertiary Current Distribution). В случае определяющего влияния диффузионных процессов можно моделировать системы с фоновым электролитом, а также со слабыми и сильными растворами электролитов. 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.

Показано окно настройки интерфейса Transport of Diluted Species, а в графическом окне отображается модель сетчатого электрода. Распределение плотности тока на поверхности сетчатого анода электролизёра с плоскими противоэлектродами. В данном случае используются уравнения Нернста-Планка в приближении фонового электролита. Учитывается перенос массы реагентов за счёт диффузии, миграции и конвекции.
Показано окно настройки узла H2 Gas Diffusion Electrode Reaction, а в графическом окне отображается модель твёрдооксидного топливного элемента.

Распределение плотности тока в электролите твёрдооксидного топливного элемента сильно зависит от мольной доли кислорода в газовых каналах (сверху), тогда как водородный электрод оказывает незначительное влияние за счет концентрационного перенапряжения (нижние каналы). С помощью узла H2 Gas Diffusion Electrode Reaction можно задать параметры кинетики электродной реакции.

Показано окно настройки интерфейса для водородного топливного элемента, который используется для расчёта катода топливного элемента. В окне настройки интерфейса для водородного топливного элемента можно выбрать компоненты топливной и окислительной газовых смесей.
Показано окно настройки узла мультифизической связи Electrochemical Heating, а в графическом окне построен профиль температуры для пассивного ТЭТПЭ.

Для расчёта теплового режима работы "дышащего" ТЭТПЭ можно учесть электрохимический нагрев с помощью узла мультифизической связи Electrochemical Heating дерева модели. Выбрав интерфейсы Hydrogen Fuel Cell и Heat Transfer в настройках этого узла, мы автоматически задаём электрохимические источники теплоты.

Газодиффузионные электроды

Моделирование газодиффузионных электродов (ГДЭ) с помощью инструментов модуля «Топливные ячейки и электролизёры» настраивается очень просто. В пользовательском интерфейсе решаются уравнения переноса в газовой фазе и в пористом электролите с учётом добавленных граничных условий. В модуле представлены специальные узлы для описания водородного и кислородного электродов. Описание основных электродных реакций уже встроено, при этом можно изменить модель кинетики и добавить описание побочных реакций.

Интерфейс для расчета переноса массы компонентов смеси в газовой фазе автоматически связывается мультифизической связкой с интерфейсом для расчёта течения в газовых каналах. Для сквозного расчёта поля течения в газовом канале и в пористых структурах используются уравнения Бринкмана.

Кроме того, автоматически добавляются уравнения сохранения заряда в электролите (сепараторе) и в пористом электролите (электролите в активном слое или в ГДЭ). Эти уравнения связываются с уравнениями переноса в газовой фазе через уравнения электрохимических реакций и закон Фарадея.

Многофазное и однофазное течение в свободной и пористой среде

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

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 средах (электродах), так и в свободном объёме (газовых каналах). Дополнительную информацию о моделировании многофазных потоков можно найти на странице описания модуля «Вычислительная гидродинамика».

Встроенные модели термодинамических систем

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, образующиеся в результате побочных реакций при получении водорода с помощью 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.

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 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 свою контактную информацию, комментарии или вопросы и отправьте нам эту заявку. В течение одного рабочего дня вы получите ответ.

Следующий шаг:
Запрос
информации
о программе