Die COMSOL® Produktpalette

Verbessern Sie die Energie-Effizienz mit dem Fuel Cell & Electrolyzer Module

Modellierung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren für Design- und Performance-Analysen

Das Fuel Cell & Electrolyzer Module ist ein Add-On zur COMSOL Multiphysics Software, um ein tieferes Verständnis von Brennstoffzellen- und Elektrolyseursystemen zu erlangen, das für die Auslegung und Optimierung der elektrochemischen Zellen nützlich ist. Zu den Systemtypen, die untersucht werden können, gehören Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs), Hydroxid-Austausch- (alkalische) Brennstoffzellen (AFCs), Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFCs) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) sowie die entsprechenden Wasserelektrolyseursysteme. Das Modul ist jedoch für alle Arten von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren geeignet.

Wie bei jedem Produkt der COMSOL-Produktpalette sind Multiphysik-Funktionen in die Software integriert, die u. a. die Strömung mehrphasiger Fluide, Wärmetransport und thermodynamische Eigenschaften berücksichtigen.

Was Sie mit dem Fuel Cell & Electrolyzer Module modellieren können

Wasserstoff-Brennstoffzellen

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

Mit Hilfe von Modellierung und Simulation lassen sich die Strom- und Potentialverteilung, die chemische Speziesverteilung und die Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle vorhersagen. Auf diese Weise kann die Zelle dann für die bestmögliche Nutzung und den Betrieb bei gegebenen Bedingungen ausgelegt werden. Wichtige Aspekte sind Wasserverluste 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.

Die Analysen umfassen 0D, 1D, 2D und 3D während des transienten oder stationären Betriebs. Die Physik-basierten Modelle können auch im Frequenzbereich formuliert werden, um Impedanzspektroskopie-Experimente zu simulieren.

Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, modelliert mit COMSOL Multiphysics und dem Fuel Cell & Electrolyzer Module.
Sauerstoffmolanteil in einem Abschnitt der Kanäle und der Gasdiffusionselektrode in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.

Wasser-Elektrolyseure

Die gesunkenen Kosten für Wind- und Solarenergie haben zu einer größeren Stromproduktion in abgelegenen Gebieten geführt, in denen die Netzkapazität begrenzt sein kann. Das bedeutet, dass das Netz möglicherweise nicht die gesamte elektrische Leistung aufnehmen kann, wenn der Wind weht und die Sonne scheint. Mit Elektrolyseuren kann vor Ort durch Wasserelektrolyse Wasserstoff aus Strom erzeugt 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 ist die negative Elektrode und die Anode die positive Elektrode. Die Modelle innerhalb des Fuel Cell & Electrolyzer Modules umfassen die Beschreibung der Gasdiffusionselektroden, der aktiven Schicht, des Separators und der Bipolarplatten mit den Kanälen. Modelle können sowohl auf Einheitszellen-Ebene als auch auf Stackebene definiert werden.

Wie bei den Brennstoffzellen basieren die Modelle auf den physikalischen Grundlagen und umfassen 0D, 1D, 2D und 3D, für den stationären und transienten Betrieb.

Modell einer Festoxid-Elektrolysezelle, wobei die Stromdichteverteilung in Regenbogenfarben und die Stromlinien in einem dunkelblauen bis weißen Farbverlauf dargestellt sind. Stromdichteverteilung in einer Ebene in der Mitte des Elektrolytabscheiders und Stromlinien des Wasserstoffs in einer Festoxid-Elektrolysezelle. Die Farbe der Stromlinien stellt den Wasserstoffpartialdruck dar. Die Stromdichte nimmt in den Bereichen ab, in denen das Konzentrationsüberpotential für die Wasserstoffentwicklung zunimmt.

Industrielle Elektrolyseure

Die Funktionalität des Fuel Cell & Electrolyzer Module ist nicht auf Wasserelektrolyseure beschränkt. Jede elektrochemische Zelle oder jeder Elektrolyseur kann modelliert werden. Dies schließt die Fähigkeit ein, Gasentwicklung und laminare Mehrphasenströmung zu beschreiben. Für Systeme wie die Chlorat-Elektrolyse und den Chlor-Alkali-Membranprozess kann das Modul in Kombination mit dem CFD Module auch turbulente Strömungen behandeln.

Features und Funktionalität im Fuel Cell & Electrolyzer Module

Das Fuel Cell & Electrolyzer Module enthält detaillierte Beschreibungen der Transportgleichungen, chemischen Reaktionen und elektrochemischen Reaktionen, die in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren auftreten. Die Software formuliert die Modellgleichungen für Gasdiffusionselektroden, Porenelektrolyt, Elektrolyt (Separator) und Bipolarplatten, die die Hauptkomponenten in diesen Systemen sind. Dies impliziert die Modellierung der Zellen in 0D, 1D, 2D oder vollem 3D während des stationären Betriebs, oder für volle transiente Experimente und Betrieb.

Primäre, sekundäre und tertiäre Stromverteilung

Die ortsabhängigen Simulationen (1D, 2D und 3D) können ohmsche Verluste (primär), ohmsche und Aktivierungsverluste (sekundär) sowie ohmsche, Aktivierungs- und Massentransportverluste (tertiär) berücksichtigen. Für tertiäre Stromverteilungen ist es möglich, Systeme mit Grundelektrolyt, verdünnten Elektrolyten und konzentrierten Elektrolyten zu definieren. Die Transportgleichungen, die Nernst-Planck-Gleichungen, können mit der Elektroneutralitätsbedingung oder der Poissonschen 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.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche mit den Einstellungen für den Transport von verdünnten Spezies und einem Drahtelektrodenmodell im Grafikfenster. Stromverteilung auf der Oberfläche der Netzanode in einem Elektrolyseur mit planaren Gegenelektroden. Hier werden die Nernst-Planck-Gleichungen verwendet, wobei ein Grundelektrolyt angenommen wird. Der Transport durch Diffusion, Migration und Konvektion der reagierenden Spezies wird berücksichtigt.
Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche mit den Einstellungen für die H2-Gasdiffusions-Elektroden-Reaktion und einem Festoxid-Brennstoffzellenmodell im Grafikfenster.

Die Stromdichteverteilung im Elektrolyten in einer SOFC ist stark mit dem Sauerstoff-Molanteil in den Gaskanälen (obere Kanäle) korreliert, während die Wasserstoff-Elektrode mit einem kleinen Anteil an Konzentrationsüberspannung beiträgt (untere Kanäle). Mit der Funktion H2 Gas Diffusion Electrode Reaction können Sie die kinetischen Parameter für die Elektrodenreaktion definieren.

Das COMSOL Multiphysics UI zeigt die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Einstellungen für ein Brennstoffzellen-Kathodenmodell.

Im Settings-Fenster der Wasserstoff-Brennstoffzelle können Sie die Komponenten des Wasserstoffgemisches und des Sauerstoffgemisches auswählen.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche mit dem Model Builder, den Einstellungen für die elektrochemische Heizung und dem Temperaturprofil für ein passives PEM-Modell.

Die Wärmebilanz in einer selbstatmenden PEMFC wird durch Hinzufügen der elektrochemischen Erwärmung im Knoten Multiphysics im Modellbaum definiert. Die Auswahl des Interfaces Hydrogen Fuel Cell und des Interfaces Heat Transfer in diesem Knoten definiert automatisch die elektrochemischen Wärmequellen und -senken.

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 definiert, basierend auf den hinzugefügten Randbedingungen. Die Software enthält getrennte Bereiche für die Definition der Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden. Die wichtigsten Elektrodenreaktionen sind vordefiniert, aber Sie können die Kinetik ändern sowie Nebenreaktionen und parasitäre Reaktionen hinzufügen.

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

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

Mehrphasige und einphasige Strömung 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 zudem Wasser aus der Zelle treiben, um eine Überflutung der Elektroden zu vermeiden. Ähnlich kann bei der Wasserelektrolyse ein unzureichender Transport des erzeugten Gases Teile der Zelle inaktiv machen. 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 auf der Seite des CFD Module.

Eingebaute Thermodynamik

Der Gehalt der Gasgemische in den Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden kann für verschiedene Prozesse und unterschiedliche Betriebsbedingungen variieren. Das Fuel Cell & Electrolyzer Module enthält eine eingebaute 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 ist und die Referenzpartialdrücke definiert sind, kann die Software das Gleichgewichtselektrodenpotential für die Wasserstoff- und Sauerstoff-Elektrodenreaktionen und damit auch das Gleichgewichtspotential für die Zelle berechnen.

Wärmetransport

Die Definition der Energiebilanz ist bei Verwendung des Fuel Cell & Electrolyzer Module integriert. Wärmequellen und -senken, die aus elektrochemischen Reaktionen, dem Transport von Ionen und chemischen Spezies sowie der Stromleitung stammen, können in einer Wärmetransport-Analyse automatisch hinzugefügt werden. Zusätzlich ermöglicht die thermodynamische Datenbank die Bereitstellung von Eingangsdaten für die Simulationen des Thermomanagements von Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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