燃料電池および電解槽モジュール

燃料電池と電解槽の設計と解析

燃料電池電解槽モジュールは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオンであり, 電気化学セルの設計と最適化に役立つ, 燃料電池と電解槽系をより深く理解するためのものです. このモジュールは, 複数のタイプの燃料電池と電解槽や対応する水電解槽系の解析に使用できます.

COMSOL 製品のすべての製品と同様に, 多相流流れ, 熱伝達, 熱力学特性などを含むマルチフィジックス機能がソフトウェアに組み込まれています.

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気体流れ場をレインボーカラーテーブルで示す PEM 燃料電池モデル.

水素燃料電池

燃料電池, 電解槽モジュールは, 最も一般的なタイプの水素燃料電池用に事前に定義された配合を特徴としており, 電極, 電解質,集電体とフィーダーを考慮しています. モデル化できる燃料電池タイプの例としては, PEMFC, AFC, PAFC, SOFC, MCFC, 高温 PEMFC などがあります.

モデリングとシミュレーションを使用して, 燃料電池の電流と電位の分布, 化学種の分布, および温度の分布を予測できます. このようにして, セルは, 与えられた条件のセットに対して可能な限り最良の利用と操作のために設計することができます. 重要な側面は, 水の除去とセルの不均一な利用の回避です. これにより, パフォーマンスが低下し, 寿命が短くなる可能性があります. さらに, 触媒負荷, 粒子サイズ分布, 二峰性細孔分布など, 気体拡散電極と活性層の微視的側面を解析することができます.

水電解槽

電解槽は, 水の電気分解によって電気から水素を局所的に生成するために使用できます. この水素は, グリッドに需要と容量がある場合, 燃料電池を使用して貯蔵し, 電気に戻すことができます.

水電解槽の設計は水素燃料電池の設計と似ていますが, 燃料電池と比較して, 電流が逆方向に流れ, 陰極が負極, 陽極が正極である点が異なります. 燃料電池や電解槽モジュール内のモデルには, 気体拡散電極, 活性層, 電解質分離器, 流路付きのバイポーラープレートの説明が含まれます.

工業用電解槽

燃料電池や電解槽モジュールの機能は, 水電解槽に限定されません. 任意の電気化学電池または電解槽をモデル化できます.これには, ガスの発生と層流混相流を記述する機能が含まれます. 塩素酸塩電解や塩素アルカリ膜プロセスなどのシステムの場合, モジュールを CFD モジュールと組み合わせて, 乱流を処理することもできます.

燃料電池および電解槽モジュールの特徴と機能

COMSOL® ソフトウェアを使用して, 燃料電池と電解槽のさまざまな解析を行うことができます.

レインボーの2D PEM モデルの物理とグラフィックの追加ウィンドウを示す COMSOL Multiphysics UI のクローズアップビュー.

組み込みのユーザーインターフェース

COMSOL Multiphysics® では, メッシュ生成, ソルバー, および結果の設定ともに方程式を定義する, あらかじめ組み込まれたユーザーインターフェースの組み合わせを提供しています. 燃料電池や電解槽モジュールでは, 水素燃料電池と水電解槽が含まれます.

水素燃料電池と水電解槽のいずれかのインターフェースを選択すると,酸素ガス拡散電極と水素ガス拡散電極の輸送特性と反応特性が自動的に定義されます. 水素燃料電池と水電解槽のインターフェースのいずれかを選択することにより, 酸素と水素ガス拡散電極の輸送と反応の特性が自動的に定義されます.

電極, 電解質, セパレーター, および気体流路のドメインを選択するだけで済みます. 化学種と二重反応を選択して, 蒸気や二酸化炭素などの酸素および水素ガス拡散電極に追加することもできます. モデル方程式は, 電極 (電子伝導) と電解質相 (イオン伝導) の電位, および系内の気体混合物のモル分率を解きます.

虹色の SOFC ユニットセルモデルのモデルビルダーウィンドウとグラフィックスウィンドウを示す COMSOL Multiphysics UI のクローズアップビュー.

ガス拡散電極

燃料電池および電解槽モジュールでは, 気体拡散電極 (GDE) のモデリングは非常に簡単に行えます. 気相および細孔電解質の輸送方程式は, 追加された境界条件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独立したドメイン機能が含まれています. 主な電極反応はあらかじめ定義されていますが, 反応速度を変更したり, 二次反応や寄生反応を追加することができます.

気相での化学種の輸送は, 気体流路での輸送と自動的に結合されます. 流体の流れは, 自由媒体と多孔質媒体の完全に結合した流れをモデル化するために, ブリンクマン方程式を使用して, 気体流路や多孔質構造に対して定義されます.

電解質 (セパレーター) と細孔電解質 (活性層または GDE の電解質) の電荷バランスも定義されます. それらは, 電気化学反応とファラデーの法則により, 気相の輸送方程式に自動的に結合されます.

虹色の SOEC モデルのモデルビルダーウィンドウとグラフィックスウィンドウを示す COMSOL Multiphysics UI のクローズアップビュー.

内蔵された熱力学

水素電極と酸素電極のガス混合物の含有量は, プロセスや動作条件によって異なる場合があります. 燃料電池および電解槽モジュールには, 水素混合物や酸素混合物の熱力学的特性データベースが組み込まれています. 水素混合物には, 水素に加えて改質反応による副生成物をモデル化するために, 窒素, 水, 二酸化炭素, 一酸化炭素を追加種として含めることができます. 酸素混合物にも同様の追加種を用意しています. 組成が選択され, 参照分圧が定義されると, ソフトウェアは水素と酸素電極反応の平衡電極電位を計算し, それによってセルの平衡電位も計算します.

一次, 二次, および三次電流分布の1D プロットのモデルビルダーおよびグラフィックスウィンドウを示す COMSOL Multiphysics UI のクローズアップビュー.

1次, 2次, 3次電流分布

空間に依存するシミュレーション (1D, 2D, 3D) では, オーム損失 (1次), オーム損失と活性化損失 (2次), 同様にオーム損失, 活性化損失, 物質移動の損失 (3次) を考慮することができます. 3次電流分布については, 支持電解質, 希薄電解質, 濃縮電解質の系を定義することができます. 輸送方程式であるネルンスト・プランク方程式は, 電気的中性条件またはポアソン方程式と組み合わせることができます.

電極の反応速度は, ターフェル式, バトラー・ボルマー式, または過電圧と化学種の濃度の任意の関数を使用して定義できます. また, 1つの電極表面で複数の反応を定義することができます.

電流分布界面は, 多孔質電極, 気体拡散電極, 平面電極と組み合わせて使用できます.

COMSOL Multiphysics UI のクローズアップビューで, 燃料電池カソードモデルのモデルビルダーウィンドウとグラフィックスウィンドウを赤, 黄, ターコイズ, 青の黄色の矢印で示しています.

自由な多孔質媒体における混相流, 単相流

低温燃料電池や水電解装置に特有の現象として, 液体と気体の水 (蒸気) が同時に移動することが挙げられます. 燃料電池では, 電極の浸水を避けるために, 流れが水をセルから追い出すことも必要です. 同様に, 水の電気分解では, 発生したガスの輸送がうまくいかないと, セルの一部が不活性になる可能性があります. いずれの場合も, 多孔質電極と開水路での二相流をモデル化することが重要です.

燃料電池および電解槽モジュールは, 分散多相流の混合, 気泡流, オイラー・オイラーモデル, 多孔質媒体内の相輸送を特徴としています. それらは, 多孔質媒体 (電極) および開放自由媒体 (流路) における混相流のモデリングを可能にします. これらの混相流モデルの詳細については, CFD モジュールを参照してください.

ヒートカメラのカラーテーブルに表示されているパッシブ PEM モデルのモデルビルダーウィンドウとグラフィックウィンドウを示す COMSOL Multiphysics UI のクローズアップビュー.

熱伝達

燃料電池や電解槽モジュールを使用する場合, エネルギーバランスの定義が組み込まれています. 電気化学反応, イオンと化学種の輸送, および電流伝導に起因する熱源と熱シンクは, 熱伝達解析で自動的に追加できます. さらに,熱力学データベースを使用すると, 水素-酸素セルの熱管理のシミュレーション用の入力データを簡単に取得できます.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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