Modellierungssoftware für die Analyse von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren

Modell einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle mit Serpentinenkanälen und dem in Regenbogenfarben dargestellten Stoffmengenanteil an Sauerstoff.

Wasserstoff-Brennstoffzellen

Das Fuel Cell & Electrolyzer Module bietet vordefinierte Formulierungen für die gängigsten Typen von Wasserstoff-Brennstoffzellen und berücksichtigt die Elektroden, den Elektrolyten sowie die Stromabnehmer und -zuführungen. Beispiele für Brennstoffzellentypen, die modelliert werden können, sind PEMFC, AFC, PAFC, SOFC, MCFC und Hochtemperatur-PEMFC, um nur einige zu nennen.

Mit Hilfe von Modellierung und Simulation lassen sich die Strom- und Spannungsverteilung, die Verteilung der chemischen Spezies und die Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle vorhersagen. Auf diese Weise kann die Zelle dann für die bestmögliche Nutzung und den Betrieb unter gegebenen Bedingungen ausgelegt werden. Wichtige Aspekte sind die Entfernung von Wasser und die Vermeidung einer ungleichmäßigen Auslastung der Zelle, die zu einer schlechten Leistung und verkürzten Lebensdauer führen kann. Zusätzlich können mikroskopische Aspekte der Gasdiffusionselektroden und der aktiven Schichten untersucht werden, wie z. B. die Katalysatorbeladung, die Partikelgrößenverteilung und die bimodale Porenverteilung.

Wasser-Elektrolyseure

Elektrolyseure können zur lokalen Erzeugung von Wasserstoff aus Strom durch Wasserelektrolyse eingesetzt werden. Dieser Wasserstoff kann gespeichert und mit Hilfe von Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt werden, wenn Bedarf und Kapazität im Netz vorhanden sind.

Der Aufbau eines Wasserelektrolyseurs ähnelt dem einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, mit dem Unterschied, dass im Vergleich zu einer Brennstoffzelle der Strom in umgekehrter Richtung fließt, die Kathode die negative Elektrode ist und die Anode die positive Elektrode. Die Modelle innerhalb des Fuel Cell & Electrolyzer Module umfassen die Beschreibung der Gasdiffusionselektroden, der aktiven Schicht, des Separators und der Bipolarplatten mit den Kanälen.

Modell eines Wasser-Elektrolyseurs, bei dem der Gasvolumenanteil als dunkelblauer bis hellblauer Farbverlauf dargestellt ist.

Modell eines Separators mit Stromlinien, die durch mehrere Kanäle fließen, und einer darunter liegenden Ebene in Regenbogenfarben zur Darstellung der Stromdichteverteilung.

Industrielle Elektrolyseure

Die Funktionalität des Fuel Cell & Electrolyzer Modules ist nicht auf Wasser-Elektrolyseure beschränkt: Jede elektrochemische Zelle oder jeder Elektrolyseur kann modelliert werden. Dazu gehört auch die Fähigkeit, die Gasentwicklung und die laminare Mehrphasenströmung zu beschreiben. Für Systeme wie die Chlorat-Elektrolyse und das Chlor-Alkali-Membranverfahren kann das Modul mit dem CFD Module kombiniert werden, um auch turbulente Strömungen zu behandeln.

Features und Funktionalitäten im Fuel Cell & Electrolyzer Module

Führen Sie mit der Software COMSOL^® verschiedene Analysen für Brennstoffzellen und Elektrolyseure durch.

Eine Nahansicht der COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche, die das Fenster Add Physics und das Grafikfenster für ein 3D-PEMFC-Modell zeigt.

Integrierte Interfaces

COMSOL Multiphysics^® bietet dem Benutzer fertige Interface-Kombinationen, die einen Satz von Gleichungen zusammen mit Einstellungen für die Netzgenerierung, Löser und Ergebnisse definieren. Für das Fuel Cell & Electrolyzer Module umfasst dies Wasserstoff-Brennstoffzellen und Wasser-Elektrolyseure.

Wenn Sie eines der Hydrogen Fuel Cells- oder Water Electrolyzers-Interfaces auswählen, werden die Transport- und Reaktionseigenschaften für die Sauerstoff- und Wasserstoff-Gasdiffusionselektroden automatisch definiert. Sie müssen nur die Gebiete für die Elektroden, den Elektrolyten, den Separator und die Gaskanäle auswählen. Sie können auch chemische Spezies und Nebenreaktionen auswählen, die den Sauerstoff- und Wasserstoff-Gasdiffusionselektroden hinzugefügt werden sollen, wie z. B. Dampf oder Kohlendioxid. Die Modellgleichungen lösen nach den Potentialen der Elektroden (elektronische Leitung) und der Elektrolytphase (Ionenleitung) sowie nach den Stoffmengenanteilen der Gasmischungen im System.

Eine Nahaufnahme der COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche mit den Fenstern Model Builder und Graphics für ein SOFC-Einheitszellenmodell in regenbogenfarben.

Gasdiffusionselektroden

Die Modellierung von Gasdiffusionselektroden (GDEs) im Fuel Cell & Electrolyzer Module ist sehr einfach. Die Transportgleichungen in der Gasphase und im Porenelektrolyten werden automatisch in der Benutzeroberfläche auf der Grundlage der eingegebenen Randbedingungen definiert. Die Software enthält separate Bereiche für die Definition der Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden. Die wichtigsten Elektrodenreaktionen sind vordefiniert, aber Sie können die Kinetik ändern und Neben- und parasitäre Reaktionen hinzufügen.

Der Transport von Spezies in der Gasphase wird automatisch mit dem Transport in den Gaskanälen gekoppelt. Die Flüssigkeitsströmung wird für den Gaskanal und für die poröse Struktur unter Verwendung der Brinkman-Gleichungen definiert, um eine vollständig gekoppelte Strömung in freien und porösen Medien zu modellieren.

Die Ladungsbilanz im Elektrolyten (Separator) und im Porenelektrolyten (der Elektrolyt in der aktiven Schicht oder in der GDE) wird ebenfalls definiert. Sie sind automatisch über die elektrochemischen Reaktionen und das Faradaysche Gesetz mit den Transportgleichungen in der Gasphase gekoppelt.

Eine Nahaufnahme der COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche, die den Model Builder und ein Grafikfenster für ein SOEC-Modell zeigt.

Integrierte Thermodynamik

Die Zusammensetzung der Gasgemische in den Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden kann für verschiedene Prozesse und unterschiedliche Betriebsbedingungen variieren. Das Fuel Cell & Electrolyzer Module enthält eine integrierte Datenbank mit thermodynamischen Eigenschaften für Wasserstoff- und Sauerstoffgemische. Das Wasserstoffgemisch kann Stickstoff, Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid als zusätzliche Spezies enthalten, um neben dem Wasserstoff auch Nebenprodukte aus Reformierungsreaktionen zu modellieren. Die gleichen zusätzlichen Spezies sind für das Sauerstoffgemisch verfügbar. Wenn die Zusammensetzung ausgewählt und die Referenzpartialdrücke definiert sind, kann die Software das Gleichgewichtselektrodenpotenzial für die Wasserstoff- und Sauerstoffelektrodenreaktionen und damit auch das Gleichgewichtspotenzial für die Zelle berechnen.

Eine Nahansicht der COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche, die den Model Builder und das Grafikfenster für einen 1D-Plot der primären, sekundären und tertiären Stromverteilung zeigt.

Primäre, sekundäre und tertiäre Stromverteilung

Die ortsabhängigen Simulationen (1D, 2D und 3D) können ohmsche Verluste (primär), ohmsche und Aktivierungsverluste (sekundär) sowie ohmsche, Aktivierungs- und Stofftransportverluste (tertiär) berücksichtigen. Für tertiäre Stromverteilungen lassen sich Systeme mit Grundelektrolyt, verdünnten Elektrolyten und konzentrierten Elektrolyten definieren. Die Transportgleichungen, die Nernst-Planck-Gleichungen, können mit der Elektroneutralitätsbedingung oder der Poisson-Gleichung kombiniert werden.

Die Elektrodenkinetik kann mit der Tafel-Gleichung, der Butler-Volmer-Gleichung oder mit beliebigen Funktionen der Überspannung und der Konzentration der chemischen Spezies definiert werden. Es können mehrere Reaktionen auf einer Elektrodenoberfläche definiert werden (eine beliebige Anzahl).

Die Stromverteilungs-Interfaces können in Kombination mit porösen Elektroden, Gasdiffusionselektroden und planaren Elektroden verwendet werden.

Eine Nahansicht der COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche, die den Model Builder und das Grafikfenster für ein Brennstoffzellen-Kathoden-Modell zeigt.

Mehrphasen- und Einphasenströmung in freien und porösen Medien

Eines der spezifischen Phänomene in Niedertemperatur-Brennstoffzellen und Wasserelektrolyseuren ist der gleichzeitige Transport von flüssigem und gasförmigem Wasser (Dampf). In Brennstoffzellen muss die Strömung auch Wasser aus der Zelle treiben, um eine Flutung der Elektroden zu vermeiden. In ähnlicher Weise kann bei der Wasserelektrolyse ein unzureichender Transport des erzeugten Gases dazu führen, dass Teile der Zelle inaktiv werden. In beiden Fällen ist es wichtig, die Zweiphasenströmung in den porösen Elektroden und in den offenen Kanälen zu modellieren

Das Fuel Cell & Electrolyzer Module verfügt über die Mischungs-, Blasenströmungs- und Euler-Euler-Modelle für dispergierte Mehrphasenströmungen sowie den Phasentransport in porösen Medien. Sie ermöglichen die Modellierung von Mehrphasenströmungen sowohl in porösen Medien (Elektroden) als auch in offenen freien Medien (Kanälen). Weitere Informationen zu diesen Mehrphasenströmungsmodellen finden Sie im CFD Module.

Eine Nahaufnahme der COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche, die den Model Builder und das Grafikfenster für ein PEM-Modell zeigt.

Wärmetransport

Die Definition der Energiebilanz ist bei der Verwendung des Fuel Cell & Electrolyzer Modules enthalten. Wärmequellen und -senken, die durch elektrochemische Reaktionen, den Transport von Ionen und chemischen Spezies sowie die Stromleitung entstehen, können automatisch in eine Analyse des Wärmetransports aufgenommen werden. Darüber hinaus erleichtert die thermodynamische Datenbank die Beschaffung von Eingabedaten für die Simulationen des Wärmemanagements von Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen.

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