Neuerungen im Fuel Cell & Electrolyzer Module
Für Nutzer des Fuel Cell & Electrolyzer Module bietet COMSOL Multiphysics® Version 6.4 neue Variablen für Leistungsverluste, die Möglichkeit, den Gaszufluss proportional zum Verbrauch der Spezies in der Elektrodenreaktion zu definieren, sowie eine flexiblere Speziesmodellierung. Weitere Informationen zu diesen und weiteren Updates finden Sie unten.
Stöchiometrische Zufuhr
Um die übliche Situation in einer betriebenen Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur zu modellieren, in der die Einlassdurchflussmenge des Gasgemisches proportional zum Zellstrom eingestellt wird, um sicherzustellen, dass überschüssige Spezies in der Zelle verbraucht werden, wurde den Knoten H2 Inlet und O2 Inlet der Interfaces Hydrogen Fuel Cell und Water Electrolyzer das Kontrollkästchen Stoichiometric feed hinzugefügt. Diese Ergänzung ist in den folgenden Tutorial-Modellen zu sehen:
O2-in-H2- und H2-in-O2-Gemische
Um anspruchsvolle Modelle in Bezug auf Alterung, parasitäre Reaktionen und Start-Stopp-Szenarien zu ermöglichen, können in den Interfaces Hydrogen Fuel Cell and Water Electrolyzer nun H2 als aktive Gasspezies in den Einstellungen für O2 Gas Mixture und O2 als aktive Gasspezies in den Einstellungen für H2 Gas Mixture aktiviert werden. Diese Aktualisierung wird im Tutorial-Modell Carbon Corrosion in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell veranschaulicht.
Variablen zur Bewertung von Leistungsverlusten
Es ist nun möglich, den Betrag der Gesamtleistungsverluste in Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren zu bewerten und die Verluste zwischen einzelnen Komponenten wie Elektrolyt, Elektrode und Stromleiter zu vergleichen, indem neu eingeführte Leistungsverlustvariablen in den Electrochemistry Interfaces verwendet werden.
Die Leistungsverluste werden auf der Grundlage der Verluste in der freien Gibbs-Energie aller reagierenden und transportierten Spezies definiert, wodurch zwischen ohmschen Verlusten, Konzentrationsverlusten und Aktivierungsverlusten unterschieden werden kann. Diese Variablen sind lokal auf Gebieten und Rändern, als integrierte Werte über die gesamte Zelle oder pro einzelnem Modellbaumknoten verfügbar.
Diese Funktionalität ist in den Tutorial-Modellen Mass Transport and Electrochemical Reaction in a Fuel Cell Cathode und Current Density Distribution in a Solid Oxide Fuel Cell zu sehen.
Neues Feature Load Cycle
Um die Einrichtung komplexer Zyklusprogramme zu vereinfachen, wurde den meisten Electrochemistry Interfaces ein neues Feature namens Load Cycle hinzugefügt. Mit diesem Feature können beliebige Lade- und Entladezyklen definiert werden, wobei die Schritte Voltage, Power, Current, C-rate und Rest in beliebiger Reihenfolge hinzugefügt werden können. Für jeden Schritt im Lastzyklus können ein oder mehrere dynamische Fortsetzungs- oder Unterbrechungskriterien (Umschaltkriterien) definiert werden, die auf Zeit-, Spannungs- oder Stromgrenzwerten sowie auf benutzerdefinierten Bedingungen unter Verwendung beliebiger variabler Ausdrücke basieren können. Zusätzlich zu den vielseitigen Optionen zur Definition von Lastzyklen ermöglicht das neue Feature auch die automatische Definition von Strom- und Spannungssonden sowie von Stoppbedingungen für den Löser.
Mit der Unterfunktion Subloop ist es beispielsweise möglich, Langzeit-Lade-Entlade-Zyklustests mit Referenzleistungstests zu kombinieren. Die Unterfunktionen Power und Subloop sind nur im Battery Design Module und im Fuel Cell & Electrolyzer Module verfügbar.
Neues Interface Aqueous Electrolyte Transport
Für die Modellierung wässriger Elektrolyte mit schwachen Säuren, schwachen Basen, Ampholyten und generischen komplexen Spezies – sowie für Anwendungen wie mechanistische Korrosionsmodellierung, elektrochemische Modelle biologischer Systeme und elektrochemische Sensormodellierung – berechnet das neue Interface Aqueous Electrolyte Transport die Potential- und Spezieskonzentrationsfelder in einem verdünnten wässrigen Elektrolyten. Der Transport wird durch die Nernst-Planck-Gleichungen definiert, die Diffusion, Migration und Konvektion sowie Elektroneutralität und die Gleichgewichtsreaktion für die Eigendissoziation von Wasser (Autoprotolyse) berücksichtigen. Aufgrund der effizienteren Handhabung von Gleichgewichtsreaktion und der einfacheren Modellerstellung ist das neue Interface in einigen Fällen möglicherweise gegenüber dem allgemeineren Interface Tertiary Current Distribution, Nernst–Planck vorzuziehen.
Automatische Initialisierung von Ionenaustauschmembranmodellen
Um Elektroneutralität und die Einhaltung des Donnan-Gleichgewichts sicherzustellen, enthält das Feature Ion-Exchange Membrane im Interface Tertiary Current Distribution, Nernst–Planck nun die Option Add Donnan shift to initial values. Diese Option verschiebt automatisch die im Feature Initial Values für den aktiven Gebietsknoten Ion-Exchange Membrane angegebenen Anfangskonzentrations- und Potenzialwerte. Dabei wird davon ausgegangen, dass die benutzerdefinierten Werte die Werte für einen Flüssigelektrolyten im Gleichgewicht mit der Membran darstellen. Die verschobenen Anfangswerte werden dann als Anfangswerte für den Löser verwendet. Durch Aktivieren dieser Option wird die Modellerstellung in der Regel vereinfacht, da die feste Raumladung der Membran nicht mehr in einem zusätzlichen Studienschritt auf einen gewünschten Wert ungleich Null verschoben werden muss.
Periodic Condition
Die Interfaces Darcy's Law und Richards' Equation enthalten jetzt das neue Feature Periodic Condition, mit dem sich die Periodizität der Strömung zwischen zwei oder mehr Rändern festlegen lässt. Darüber hinaus ist es möglich, einen Druckunterschied zwischen Quell- und Zielrand zu erzeugen, indem entweder der Drucksprung direkt angegeben oder ein Massenstrom vorgegeben wird. Periodic Condition wird in der Regel verwendet, um repräsentative Volumenelemente zu modellieren und effektive Eigenschaften für die Verwendung in homogenisierten porösen Medien zu berechnen.
Drucksprungoption für Free and Porous Media Flow Coupling
Free and Porous Media Flow Coupling verfügt über eine neue Option, um einen Drucksprung über den Rand zwischen freiem und porösem Medium hinweg einzubeziehen. Damit lassen sich beispielsweise der osmotische Druck an einer semipermeablen Membran, die von einem porösen Abstandsmaterial gestützt wird, oder ein Drucksprung aufgrund des Kapillardrucks bei einer Mehrphasenströmung modellieren.
Neue und aktualisierte Tutorial-Modelle
COMSOL Multiphysics® Version 6.4 enthält neue und aktualisierte Tutorial-Modelle für das Fuel Cell & Electrolyzer Module.
Ohmic and Activation Losses in a Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer Cell
Carbon Corrosion in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
Liquid Alkaline Electrolyzer with Concentrated Electrolyte Transport
