燃料電池＆電解槽モジュールのアップデートについて
燃料電池および電解槽モジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics® バージョン6.0 では, 新しい材料ライブラリ, 膜水輸送および寄生電流の定義済み定式化, 気体/液体混合ドメインの新しいドメイン設定を提供します. 燃料電池および電解槽のアップデートについては, 以下をご覧ください.
新しい燃料電池と電解槽の材料ライブラリ
燃料電池と電解槽用の新しい材料ライブラリには, 水性アルカリ電解質, 溶融炭酸塩電解質, ポリマー電解質, および固体酸化物電解質の特性が含まれています. Nafion™ 膜の特性には, 電気浸透抵抗, 吸水, ガス透過, および湿度に依存するイオン伝導率が含まれます.
新しいライブラリの材料は, 以下のチュートリアルモデルで使用されています.:
- alkaline_electrolyzer
- solid_oxide_electrolyzer
- fuel_cell_cathode_with_liquid_water
- nonisothermal_pem_fuel_cell
- species_transport_in_the_gas_diffusion_layers_of_a_pem_fuel_cell
- transport_phenomena_in_a_polymer_electrolyte_fuel_cell_membrane_-_electrode_assembly
- low_temperature_pem_fuel_cell_with_serpentine_flow_field
- current_density_distribution_in_a_solid_oxide_fuel_cell
吸着, 脱着する化学物質
既存の電極表面境界条件のモデリング機能が拡張され, 表面サイトの占有率と吸着種の表面濃度を追跡する定義済み方程式のセットが追加されました. 新しい吸着-脱着種セクションでは, 電極表面における吸脱着キネティクスと熱力学を, マルチステップ電気化学反応と組み合わせてモデリングすることが可能です.
燃料電池と電解槽膜を横切る種の輸送
燃料電池と電解槽の膜は, 水素コンパートメントと酸素コンパートメントの間で溶存ガスの拡散を可能にします. 水素の輸送を妨げることは特に困難です. 水素燃料電池と水電解槽のインターフェースが更新され, 膜燃料電池と電解槽に水素, 酸素, 窒素のクロスオーバーが含まれるようになりました. 水素と酸素の間の反応は, プロセスの効率を低下させる寄生反応と見なされます. さらに, 水蒸気の透過を考慮して, 電気浸透水抵抗 (プロトンとの相互作用による水分子の輸送) を定義できます.
次のチュートリアルモデルでこの新機能を表示します:
- nonisothermal_pem_fuel_cell
- species_transport_in_the_gas_diffusion_layers_of_a_pem_fuel_cell
- transport_phenomena_in_a_polymer_electrolyte_fuel_cell_membrane_-_electrode_assembly
- fuel_cell_with_serpentine_flow_field
アルカリ電解槽の混合気体/液体ドメイン
水が電解されると, 水素と酸素がそれぞれカソードとアノードのコンパートメントで発生します. 気泡は, 電極コンパートメント内の流れ場を変化させ, 電極間に同伴される気泡の電解質伝導率を低下させる可能性があります. 水電解槽インターフェースは, 電極コンパートメント内の水素と酸素の体積分率を考慮します. この機能の設定は, モデルツリーのガス電解質コンパートメントドメインノードから利用できます. アルカリ電解槽チュートリアルモデルは, この新機能を示しています.
燃料電池および電解槽のガス領域における凝縮-蒸発
水の凝縮と蒸発は, 燃料電池と電解槽の輸送特性とエネルギーバランスに影響を与えます. 忠実度の高いモデルでは, これらのプロセスを考慮する必要があります. このため, これらのプロセスをガス領域に追加できる, 新しい定義済みの水凝縮-蒸発機能があります. この機能により, 燃料電池や電解槽での凝縮と蒸発の説明がはるかに簡単になります. この新機能は, 液体水を使用した 燃料電池カソードのチュートリアルモデルで確認できます.
燃料電池と電解槽の水素コンパートメントにおける水性ガスシフト反応
燃料電池や電解槽の水素コンパートメントにある一酸化炭素は, 触媒を汚染する可能性があります. 中毒の問題に対する可能な解決策は, 水性ガスシフト反応 (WGSR) 用の触媒を組み込んだ設計を開発することです. この反応では, 一酸化炭素が水で酸化されて二酸化炭素と水素が生成され, 燃料電池では, 水素がアノードの性能をさらに高めることができます. COMSOL Multiphysics® バージョン6.0 には, WGSR を水素コンパートメントに追加できる新しい定義済みの水性ガスシフト反応機能があります.
ブリンクマン方程式インターフェース用の多孔質スリップ
多孔質媒体内の流れの境界層は非常に薄く, ブリンクマン方程式モデルで解くのは実用的でない場合があります. 新しい多孔質すべり壁処理機能を使用すると, 境界層の完全なフロープロファイルを解決せずに壁を考慮することができます. 代わりに, 応力条件が表面に適用され, 境界層速度プロファイルの漸近解を利用することにより, バルクフローで適切な精度が得られます. この機能は, ブリンクマン方程式インターフェースの[設定]ウィンドウでアクティブになり, デフォルトの壁の状態に使用されます. この新機能は, ブリンクマン方程式で記述された地中流を含むほとんどの問題で, モデル領域が大きい場合に使用できます.
多孔質媒体の熱伝導
多孔質媒体における熱伝達の機能を刷新し, より使いやすくなりました. 熱伝導のブランチに新しい多孔質媒体物理エリアが追加され, 多孔質媒体における熱伝導, 局所熱非平衡, 充填床における熱伝導の各インターフェースが含まれています. これらのインターフェースはすべて似たような機能ですが, 違いは, これらのインターフェース内のデフォルトの多孔質媒体ノードが, 3つのオプションのうち1つを選択していることです. 局所熱平衡, 局所熱非平衡, 充填層. 後者のオプションは前述のとおりで, 局所熱非平衡インターフェースは, マルチフィジックスカップリングに取って代わり, 流体相と固相の2つの温度モデルに対応するものです. 典型的なアプリケーションは, 金属発泡体のように液相の強い対流と固相の高い伝導による多孔質媒体の急速な加熱または冷却を伴うことがあります. 局所熱平衡インターフェースを選択すると, 新たな平均化オプションが利用でき, 多孔質媒体の構成に応じて有効熱伝導率を定義することができます.
さらに, 3種類の多孔質媒体の均質化された量に対して, 統一された方法でポスト処理変数が利用可能です. これらの既存のチュートリアルモデルで, 新しく追加された多孔質媒体をご覧ください. :
多孔質媒体中の非熱的流れ
新しい非等温流体, ブリンクマン方程式マルチフィジックスインターフェースは, 多孔質媒体中の熱伝達と流体流動のカップリングを自動的に追加します. これは, 多孔質媒体中の熱伝導とブリンクマン方程式のインターフェースを組み合わせたものです.
多孔質材料の取り扱いが大幅に改善されました
多孔質材料は, 多孔質材料ノードで表にされたフェーズ固有のプロパティで定義されるようになりました. さらに, サブノードは, 各フェーズに複数のサブノードを定義できるソリッドおよび流体フィーチャに追加できます. これにより, 材料特性と設定を複製することなく, 流体の流れ, 化学種の輸送, および熱伝達に1つの同じ多孔質材料を使用できます.
非等温反応流
非等温反応フローモデルを自動的に設定する非等温反応フローマルチフィジックスインターフェースがあります. 反応流マルチフィジックスカップリングには, 化学および熱伝達インターフェースを結合するオプションが含まれるようになりました. この結合を使用して, 相変化のエンタルピーやエンタルピー拡散項などの熱と種の方程式間の相互寄与がモデルに含まれます. さまざまな量と材料特性の温度, 圧力, および濃度依存性も自動的に考慮され, 対応する事前定義された変数を使用して熱とエネルギーのバランスを実行できます.
新規およびアップデートされたチュートリアルモデル
COMSOL Multiphysics® バージョン6.0 には, 燃料電池および電解槽モジュールに新しく更新されたチュートリアルモデルがあります.
アルカリ電解槽
アプリケーションライブラリタイトル:
alkaline_electrolyzer
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蛇行流場を備えた低温PEM燃料電池
アプリケーションライブラリタイトル:
pemfc_serpentine_flow_field
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非等温PEM燃料電池
アプリケーションライブラリタイトル:
nonisothermal_pemfc
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