燃料電池&電解槽モジュール

COMSOL Multiphysics® バージョン5.6では, 新しい燃料電池&電解槽モジュー ルが導入されています. この製品は COMSOL Multiphysics® のアドオンであり, 燃 料電池と電解槽をモデル化するための新しい水素燃料電池と水電解槽のフィジックスインターフェースが含まれています. この新製品の詳細については, 以下をご覧ください.

燃料電池と電解槽のモデリング

新しい燃料電池&電解槽モジュールは, 燃料電池および電解槽用の最先端のモデリングおよびシミュレーションツールに加えて, 現実的な流体の流れ特性および詳細な電気化学シミュレーション用の汎用ツールを提供します. 新しいモジュールを使用すると, 水素自動車とエネルギー貯蔵のテクノロジーを解析および最適化するときに, 電荷輸送, 電極反応, 熱力学, 気相拡散, 多孔質媒体流, および二相流を含めることができます.

A blue model of a PEM water electrolyzer.

新しい燃料電池&電解槽モジュールで解析された高分子電解質膜水電解槽 のガス体積分率.

COMSOL Multiphysics® バージョン5.6以降, 全ての機能を保持したまま, バッテリ&燃料電池モジュールがバッテリデザインモジュールの製品名に変更されていることにご注意ください. 燃料電池と電解槽をモデル化するユーザーは, この新しい燃料電池と電解槽モジュールを使用することをお勧めします.

以下のセクションでは, 燃料電池と電解槽のモデリングに関連し, 電気化学のモデリングに使用される COMSOL Multiphysics® アドオン製品の以前のバージョンでは利用できなかった機能についての一般的な情報を取り上げます.

事前定義された酸素および水素電極

燃料電池&電解槽モジュールでのガス拡散電極 (GDE) のモデリングは非常に簡単です. 気相の輸送方程式が気相化学種に基づいてユーザーインターフェースで自動的に定義されます. このソフトウェアには, 水素電極と酸素電極を定義するための個別のドメイン機能が含まれています. 主電極反応は事前定義されていますが, 反応速度を変更したり, 双反応および寄生反応を追加したりできます. これらの事前定義された電極は, 燃料電池と電解槽の両方で使用できます.

反復ソルバーの自動生成

幾何学的および代数的マルチグリッド反復ソルバーがスタディステップノードによって自動的に生成されるようになりました (ただし, デフォルトでは常に直接ソルバーが使用されます). 反復ソルバーの1つを有効にすると, 大規模なシミュレーションのメモリ使用量と計算時間を減少させることができます.

電極反応速度論における濃度依存性の線形化

新しい線形化オプションにより, 負の数の累乗を評価する際の問題を回避することにより, 非単位反応次数の反応速度を改善できます. この機能は, 平衡電位のネルンストの式を質量作用の法則または交換電流密度の一括マルチステップと組み合わせて使用する場合, 3次電流分布インターフェースの電極反応ノードと多孔質電極反応ノードで使用できます. 新しい線形化オプションは, 新しいモデルを作成するときにデフォルトでオンになり, ネルンストの式と質量作用の法則または集中定数反応速度オプションを備えた,すべてのチュートリアルモデルで使用できます.

高導電性多孔質電極

新しい高導電性多孔質電極ドメインノードは, ほとんどの電気化学インターフェースで利用できます. この機能は, 電子伝導電極相の導電率が高い多孔質電極に使用できます. 電極電位の空間変数をグローバル変数に置き換え, それによって問題の自由度の数を減らします.

希釈種輸送のための改良された多孔質媒体機能

多孔質媒体での希釈種輸送インターフェースは, 新しい多孔質媒体ノードを使用するように改良されました. 2つの新しいドメイン機能, 多孔質媒体ノードと不飽和多孔質媒体ノードが, 多孔質媒体インターフェースでの希釈種の輸送で利用できます. 新しい多孔質媒体ノードを使用して, 多孔質媒体の複数の相に材料特性を割り当てることができ ます. 新しいノードには, 液体, 気体, および多孔質マトリックスのプロパティを定義するための専用コンテナがあります. この機能は Ceramic Water Filter with Activated Carbon Core のチュートリアルモデルで示されています.

A closeup view of the COMSOL Multiphysics version 5.6 UI with the settings shown for Transport of Diluted Species in Porous Media and a ceramic water filter candle model in the Graphics window.
セラミック浄水器キャンドルの汚染物質濃度

含まれているチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics® バージョン5.6 ではいくつかのチュートリアルモデルが燃料電池&電解槽モジュールに加わっています.

燃料電池カソードにおける物質移動と電気化学反応

A model of a fuel cell cathode shown as a square with a rainbow color table visualizing the overpotential in V.
水素燃料電池インターフェースを使用してモデル化された, 燃料電池のカソード反応層の局所過電圧.

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fuel_cell_cathode

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蛇行した流れ場を備えた燃料電池

A fuel cell model with a winding flow field with the mole fraction shown in rainbow.
反応流マルチフィジックスインターフェースを使用してモデル化された, 蛇行した流れ場を持つ燃料電池の酸素モル分率.

アプリケーションライブラリタイトル:

serpentine_flow_field

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高分子電解質膜電解質

A PEM electrolyzer model showing the dispersed phase volume fraction in rainbow at 10 seconds.
混合流モデル (層流) インターフェースを使用してモデル化された高分子電解質膜電解槽のガス体積分率.

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pem_electrolyzer

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固体酸化物電解槽セル

A solid oxide electrolyzer cell modeled as a rectangle with the mole fraction shown in rainbow and the total flux shown as black streamlines with arrows.
高分子電解質膜電解槽のガス体積分率. 熱力学機能を使用してカソードガス混合物の特性を自動的に定義する2番目のモデル例が利用可能となっています.

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soec

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高温PEM燃料電池の物質移動解析

A model of a high-temperature PEM fuel cell with the mole fraction shown in rainbow.
反応流マルチフィジックスインターフェースを使用してモデル化された, セル内のアノードとカソードの水モル分率.

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ht_pem

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パッシブPEM燃料電池のオーム損失と温度分布

A passive PEM fuel cell model with the temperature shown in the heat camera color table and degrees Kelvin.
電気化学加熱マルチフィジックスカップリングを使用してモデル化された PEMFC 内の温度.

アプリケーションライブラリタイトル:

passive_pem

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