设计与优化燃料电池和电解槽系统

“燃料电池和电解槽模块”是 COMSOL Multiphysics^® 软件的一款附加产品，帮助用户通过仿真深入理解燃料电池和电解槽系统的工作原理，为电化学电池的设计和优化提供了强大的支持。模块支持对多种燃料电池和电解槽的仿真，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、氢氧化物交换（碱性）燃料电池（AFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），以及相应的水电解槽系统等。

软件中内置的多物理场耦合功能方便用户在同一个软件界面内耦合多个物理效应，如多相流体流动、传热、热力学属性等，以更准确地模拟和分析真实场景下的燃料电池和电解槽系统。

氢燃料电池

“燃料电池和电解槽模块”为最常见的氢燃料电池提供了预置的工具，并充分考虑了电极、电解质、集流体和气体通道等要素，支持对各种燃料电池类型进行仿真，如 PEMFC、AFC、PAFC、SOFC、MCFC 和高温质子交换膜燃料电池等。

用户可以使用仿真分析来预测燃料电池中的电流和电位分布、化学物质分布以及温度分布等关键参数，并在此基础上，根据给定的条件来优化电池设计，以达到最佳的工作状态和效率。在设计过程中，去除水分并确保电池的均匀运行是一个重要的考虑因素，不平衡可能会导致性能下降和寿命缩短。此外，用户还可以研究气体扩散电极和活性层的微观形貌，例如催化剂载量、粒径分布和双孔分布等。

水电解槽

电解槽通过电解水来产生氢气，这些氢气可以储存起来，并在需要时通过燃料电池再次转换回电能。

水电解槽的设计与氢燃料电池类似，但有一个关键的不同点：电流的流向与燃料电池相反。在水电解槽中，阴极充当负极，阳极充当正极。“燃料电池和电解槽模块”中的水电解槽模型预置了气体扩散电极、活性层、电解质隔膜和带有通道的双极板等因素。

工业电解槽

“燃料电池和电解槽模块”的功能不仅限于水电解槽，还能基于底层原理分析任何类型的电化学电池或电解槽，并具备描述气体逸出和层流多相流的功能。针对氯酸盐电解和氯碱膜工艺等系统，也可以将此模块与 CFD 模块耦合，分析湍流现象。

燃料电池和电解槽模块的主要功能

使用 COMSOL^® 软件分析燃料电池和电解槽。

内置用户接口

COMSOL Multiphysics^® 为用户提供了各种预置的用户接口组合，用于定义方程组以及网格生成、求解器和结果的设置。“燃料电池和电解槽模块”中提供了氢燃料电池 和水电解槽 接口。

通过选择任何氢燃料电池 和水电解槽 接口，软件会自动定义氧气和氢气扩散电极的传输和反应属性，用户只需为电极、电解质、隔膜和气体通道选择相应的域即可。此外，用户还可以选择要添加到氧气和氢气扩散电极的化学物质和双反应，例如蒸汽或二氧化碳。模型方程可以求解电极（电子传导）和电解质相（离子传导）电位，并确定系统中气体混合物的摩尔分数。

氢燃料电池 和水电解槽 接口用于求解各种类型氢燃料电池或水电解槽电池的不同电子和离子导电层的电极和电解质相电位。

一次、二次和三次电流分布

软件提供了一维、二维和三维空间建模和仿真能力，可在不同空间维度分析欧姆损耗（一次）、欧姆和活化损耗（二次），以及欧姆、活化和质量传递损耗（三次）。对于三次电流分布，用户可以使用本模块来定义具有支持电解质、稀释电解质和高浓度电解质的系统。同时，还可以使用输运方程（即 Nernst-Planck 方程）结合电中性条件或泊松方程，准确描述物质的传递过程。

用户可以根据需要选择使用 Tafel 方程、Butler-Volmer 方程或者过电位和化学物质浓度的任意函数来定义电极动力学，并在电极表面定义任意数量的反应。

这些电流分布接口可以与多孔电极、气体扩散电极和平面电极结合使用，以满足各种应用需求。

具有平面对电极的电解槽中网状阳极表面的电流分布。本例假设有支持电解质，因此使用 Nernst-Planck 方程，其中考虑了反应物质的扩散、迁移和对流引起的传递。

气体扩散电极

使用“燃料电池和电解槽模块”对气体扩散电极（GDE）建模非常便捷。软件会根据用户添加的边界条件，在界面中自动定义与气相和孔隙电解质相关的输运方程；并提供单独的域特征用于定义氢电极和氧电极。软件中提供了预定义的主要电极反应，但同时也允许用户灵活更改反应动力学参数，并添加双反应和寄生反应。

气相中的物质传递可以与气体通道中的传递实现自动耦合。通过使用 Brinkman 方程为气体通道和多孔结构定义流体流动，可以模拟完全耦合的自由和多孔介质流动。

此外，软件还定义了电解质（隔膜）和孔隙电解质（活性层或 GDE 中的电解质）中的电荷平衡，并通过电化学反应和法拉第定律与气相输运方程实现自动耦合。

固体氧化物燃料电池（SOFC）中电解质的电流密度分布与气体通道（上通道）中的氧摩尔分数密切相关，而氢电极则提供少量的浓度过电位（下通道）。氢气扩散电极反应 特征可用于定义电极反应的动力学参数。

多相流和单相流功能：分析液态水和水蒸气传递

在低温燃料电池和水电解槽中有一种特殊的现象，即液态水和气态水（蒸汽）同时存在质量传递。在燃料电池中，流动也需要从电池中去除水分以避免发生电极溢流。同样，在水电解过程中，如果产生的气体传递不充分，可能会导致电池的某些部分失活。因此，在这两种情况下，模拟多孔电极和开放通道中的两相流非常重要。

“燃料电池和电解槽模块”提供了混合物、气泡流和 Euler-Euler 模型，专门用于对分散多相流和多孔介质相传递进行分析。这些模型可以模拟多孔介质（电极）和开放自由介质（通道）中的多相流。有关这些多相流模型的更多信息，请查看 CFD 模块。

燃料电池阴极的液体饱和度，其中使用实验毛细管压力曲线来定义液体饱和度水平与液相和气相压力差之间的相关性。

内置热力学数据库

在不同的工艺和工作条件下，氢、氧电极中的气体混合物含量可能会有所变化。“燃料电池和电解槽模块”包含一个内置的热力学属性数据库，用于分析氢混合物和氧混合物的特性，其中，氢混合物可以包含氮、水、二氧化碳和一氧化碳作为附加物质，使用户不仅可以对氢进行建模，还可以分析重整反应的副产物。同样，氧混合物中也包含了这些附加物质。当用户选择组分并定义参考分压后，软件即可计算氢、氧电极反应的平衡电极电位，从而计算出电池的平衡电位。

热力学 节点创建了一个热力学系统，可用于为液体、气体和相平衡的纯物质和化合物混合物添加属性。

热效应

“燃料电池和电解槽模块”包含内置的能量平衡定义。在传热分析中，软件可以自动添加由电化学反应、离子和化学物质传递以及电流传导产生的热源和热沉。此外，软件还提供了热力学数据库，用户可以轻松获取用于氢氧电池热管理仿真所需的输入数据，使得仿真过程更加便捷和准确。

本例通过在模型树的多物理场 节点中添加“电化学热”来定义质子交换膜燃料电池堆的热管理。在此节点中选择氢燃料电池 和多孔介质传热 接口可以自动定义电化学热源和热沉。