燃料電池和電解槽模塊

內置用戶接口

COMSOL Multiphysics? 為用戶提供了各種預定義的用戶接口，通常包括相應的方程組，網格、求解器和結果的預定義設置。對于燃料電池和電解槽模塊來說，軟件提供了氫燃料電池和水電解槽 接口。

通過選擇氫燃料電池或水電解槽 接口，軟件自動定義了氧氣和氫氣擴散電極的傳輸和反應屬性，您只需為電極、電解質、隔膜和氣體通道選擇相應的域即可。此外，您還可以選擇要添加到氧氣和氫氣擴散電極的化學物質和雙反應，如蒸汽或二氧化碳。模型方程求解電極（電子傳導）和電解質相（離子傳導）電位，以及系統中氣體混合物的摩爾分數。

氣體擴散電極

使用“燃料電池和電解槽模塊”對氣體擴散電極（GDE）建模非常便捷。軟件會根據添加的邊界條件，在用戶界面預定義相應的氣相和孔隙電解質中的輸運方程；并提供單獨的域特征用于定義氫電極和氧電極。軟件已提供了預定義的主要電極反應，但用戶對反應動力學參數進行修改，并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 Brinkman 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，軟件還定義了電解質（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。

內置熱力學屬性庫

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?！叭剂想姵睾碗娊獠勰K”包含一個內置的熱力學屬性數據庫，用于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。當用戶選擇組分并定義參考分壓后，軟件可以計算氫、氧電極反應的平衡電極電位，從而計算出電池的平衡電位。

一次、二次和三次電流分布

與空間相關的電流分布接口可以用來分析歐姆損耗（一次）、歐姆和活化損耗（二次），以及歐姆、活化和質量傳遞損耗（三次）。對于三次電流分布接口，用戶可以定義具有支持電解質、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；并可以在電極表面定義任意數量的反應。

這些電流分布接口可以與多孔電極、氣體擴散電極和平面電極結合使用。

多相流和單相流功能，分析液態水和水蒸氣傳遞

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，模擬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塊”包含混合物、氣泡流和 Euler-Euler 模型，專門用于對分散多相流和多孔介質相傳遞進行分析。這些模型可以模擬多孔介質（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信息，請查看 CFD 模塊。

熱效應

“燃料電池和電解槽模塊”包含內置的能量守恒方程，在傳熱分析中，軟件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，用戶還可以通過熱力學數據庫輕松獲取用于氫氧電池熱管理仿真的輸入數據。