使用 COMSOL Multiphysics® 開發燃料電池的 4 個仿真案例

2023年 1月 10日

燃料電池是清潔能源領域最受關注的新技術之一。燃料電池通過涉及氫氧化和氧還原的電化學反應產生電能。簡單來說,如果能夠為燃料電池穩定供給氫氣和氧氣,它就能發電。此外,這個過程中產生的副產物是水,因此它是一種不會產生二氧化碳或有毒副產物的“清潔燃料”。

探索不同的燃料電池設計

燃料電池的整體性能受到其電流密度分布、反應物的進給量以及溫度變化等因素的影響。借助多物理場仿真可以研究這些因素,以及由熱膨脹引起的可能的結構形變。通過COMSOL Multiphysics? 軟件的一個附加產品燃料電池和電解槽模塊,工程人員可以在同一個模型中對所有這些因素進行分析,用于設計和模擬不同的燃料電池。軟件提供不同類型的多物理場耦合功能,如反應流、非等溫流等,通過耦合模擬這些相互作用的物理現象可以清楚地了解電池在實際應用中的運行狀態,還可以將模擬擴展到整個燃料電池堆。

接下來,讓我們通過 4 個仿真案例來說明如何使用 COMSOL Multiphysics 評估燃料電池設計中的不同影響因素。

1.固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池中的電解質和電極由金屬氧化物(硬陶瓷材料)制成。這種電池中的電極為多孔氣體擴散電極(GDE),兩個電極之間包含一層固體電解質,形成三明治結構。本節,我們將通過 固體氧化物燃料電池中的電流密度分布教程模型,來探究固體氧化物燃料電池的內部運行。

這個教程可用于模擬含逆流的平行通道固體氧化物燃料電池的一個基本單元中的電流密度分布。電池的燃料為濕氫氣(氫氣和水蒸氣)和濕空氣(水蒸氣、氧氣和氮氣),分別從陽極側和陰極側供給。

標記了雙極板、空氣出口和氫氣入口的固體氧化物燃料電池的幾何結構。
標記了空氣流道、氫氣流道、空氣進口和氫氣進口的平行流道固體氧化物燃料電池的基本單元的幾何結構。

圖1. 一個電池堆中的固體氧化物燃料電池單元的幾何結構,包含雙極板(左)。一個基本單元的模型幾何,包含一個空氣流道和一個氫氣流道(右)。假設雙極板處于恒定電勢,并且不包括在模型中,而是將電勢設置為多孔氣體擴散電極(GDE)和雙極板之間的接觸表面的邊界條件。

該模型涵蓋以下過程的全耦合:

  • 陽極和陰極的質量守恒
  • 氣體流道中的流動
  • 多孔電極中的氣體流動
  • 氧離子貢獻的離子電流守恒
  • 電子電流守恒
  • 陽極和陰極的電荷轉移反應(電化學反應)

作為一個真正的多物理場問題,該模型使用了描述電池內部發生的過程和現象的多個物理場接口。使用 氫燃料電池 接口求解用于描述氣相中的物質傳遞的 Maxwell-Stefan 擴散和對流方程。使用可壓縮的 Navier–Stokes 方程定義通過自由流動區域的流道,使用 Brinkman 方程描述多孔電極內的流速。使用多孔電極理論定義電解質、孔隙電解質和電極中的電流守恒,通過耦合多孔氣體擴散電極中的局部濃度與熱力學的 Nernst 方程和電荷轉移反應動力學(電極動力學)的 Butler–Volmer 方程。

該模型中值得研究的參數為以下各項之間的關系:

  • 流道寬度
  • 電極厚度
  • 電解質(包括多孔電解質)的電導率
  • 電極的電導率
  • 單元的長度
  • 氣體成分和氣體進料速率

這些設計和運行參數決定了電池在不同負載下的性能。這個模型是完全參數化的,也就是說你可以對上述參數的不同數值進行模擬,來了解和研究電池單元的行為。接下來,我們將給出該模型的仿真結果,你還可以在 COMSOL 案例庫中查看其相關的 MPH 文件和 PDF 說明,深入理解如何構建這個模型。

仿真結果

從左到右,圖 2 顯示了陽極中的氫摩爾分數,陰極中的氧摩爾分數以及電解質上的電流密度。模擬結果顯示,空氣的饋入限制了電池的性能,導致進氣口的電流密度很高,出口處的電流密度很低。此外,還可以看到,通道中間的電流密度略高于邊緣的,這是因為集流體和氣體通道的接觸面阻礙了氣體輸送。

用彩色標尺顯示陽極的氫氣摩爾分數的圖,模型的最左邊是紅色,中間是白色,最右邊是藍色。
用彩虹色標顯示陰極的氧氣摩爾分數的圖,其中最左邊是藍色,中間是淺藍色,最右邊是紅色。
用彩虹色標顯示電解液中的電流密度分布圖,其中最左邊是藍色,中間是淺藍色,最右邊是紅色。

圖2. 在 0.6 V 的電池電壓下,陽極的氫摩爾分數(左)和陰極的氧摩爾分數(中間),氣體通道和氣體擴散電極顯示了各物質組成。電解液中的電流密度分布(右)表明,空氣饋入限制了電池的性能,導致進氣口位置的電流密度很高。

圖 3 顯示,在圖 2 的工作條件下,最大功率的電流密度略低于 1800 A/m2(下左圖),因此最大功率略低于 1150 W/m2。當氣流速率增大時,最大功率密度可上升到 1300 W/m2(下右圖)。如果繪制電解質中的電流密度分布,會看到它更加均勻。然而,這種性能的提高必須與氣泵所需的功率相平衡,即氣泵必須提供高出 50% 的壓力。

顯示進氣壓力為6 bar時的極化和功率密度曲線的圖表。
顯示進氣壓力為9bar時的極化和功率密度曲線的圖表。

圖3.進氣壓力為 6 bar 時的極化和功率密度曲線(左),顯示了電流密度在 1800 A/m2 左右時最大功率略低于 1150 W/m2。通過將入口壓力增加到 9 bar(右)來提高氣流速率,從而將電流密度和功率密度的最大值分別提升至 2200 A/m2 和 1300 W/m2。

2. 低溫質子交換膜燃料電池

質子交換膜(PEM)燃料電池中有一層聚合物膜電解質。通常,質子交換膜在運行過程中具有相對較高的含水量。在具有蛇形流場的低溫質子交換膜燃料電池教程模型中,由膜和氣體擴散電極(GDE)組成的膜電極組件(MEA)被夾在含蛇形氣體流道的雙極板之間。在下圖的幾何結構中,空氣通道及其入口位于膜電極組件上方,氫氣通道及其入口位于膜電極組件下方。

標有空氣進口、空氣出口、氫氣出口和氫氣進口的 PEM 燃料電池的幾何結構。
圖4. 質子交換膜燃料電池模型的幾何結構

由于陽極(負極)的氫氧化反應和陰極(正極)的氧還原反應,質子交換膜燃料電池在陰極產生水。產生的水通過膜滲透到陽極側。假設陰極氣體擴散電極產生的水不能有效被去除,這種情況下,電極的孔將被水淹沒,從而阻礙氧氣的供給,導致電池性能大幅下降。相反,如果膜和孔隙電解質太干燥,將導致電解質中的歐姆電導率降低。因此,質子交換膜燃料電池運行的一個關鍵因素是水管理。

這個模型可以求解:

  • 氣體擴散電極和膜電解質中的電荷守恒和質量傳遞方程
  • 膜兩側氣相中的流動方程
  • 水通過擴散(滲透)和遷移(電滲阻力)在膜中傳輸的方程
  • 電極上的電荷轉移反應方程(電化學反應)

這個模型中值得關注的方面是:

  • 蛇形圖案的影響
  • 流道橫截面的尺寸
  • 雙極板和電極之間接觸面的寬度
  • 膜電極組件的尺寸
  • 電池所有組件的材料屬性

所有這些方面都可以在不同的運行條件(氣體進料速率和載荷)下進行研究。這個模型還可以用于優化給定氣體供給和負載的電池設計。你可以在下一節查看此模型的模擬結果。如果你想直接跳轉到建模的詳細分步說明,可以點擊此處下載。

仿真結果

該模型計算了各種氣體擴散電極和氣體流道中氣體的成分,如圖5所示。圖中顯示氧氣的消耗量比氫氣大得多。氧氣的消耗發生在沿氣體擴散電極厚度方向上,主要是由于氧氣具有較小的擴散率。因為空氣和氫氣在通道中的流動是逆向的,所以兩種反應氣體在雙極板的兩端被耗盡。

用棱鏡色標顯示氧氣摩爾分數的圖,模型的最左邊是深紅紫的顏色,中間是紅橙色,最右邊是黃綠色。
用棱鏡色標顯示氫氣摩爾分數的圖,模型的最左邊是淺紫藍色,中間是橘紅色,最右邊是深紅紫色。

圖5.氧摩爾分數(左)和氫摩爾分數(右)模擬圖。

如果觀察氫氣流道和膜中的水活度,可以看到水活度在靠近進氣口的地方更大。在這個位置的氣相中氧含量很高,由于氧氣傳輸限制了反應速率,導致局部電流密度更高。還可以看到,膜電導率在水活度大的位置更為明顯,從而影響電池中的電流密度分布。氧氣和水含量使電流密度增加,直到陰極氣體擴散電極中的液態水含量開始阻礙氣體傳輸。

用棱鏡色標顯示流道的相對濕度的圖,模型的最左邊是紫色、紅色和橙色;中間是淺藍紫色;最右邊是淺紫色。
用棱鏡色標顯示膜中水活度的圖,模型的最左邊是紅色;中間是黃色、淺藍色和藍色;最右邊是藍色。

圖6. 流道中的相對濕度(左)和膜中的水活度(右)。

3. 非等溫質子交換膜燃料電池

使用非等溫質子交換膜燃料電池教程模型,我們可以對質子交換膜燃料電池中的電化學反應、流體流動、傳熱以及電荷和物質傳遞進行多物理場仿真。這個教程中的電池包括兩個膜電解質組件電極,以及二者中間的氣體擴散層(GDL)。電極的活性層被建模為表面,也就是說忽略了它們的幾何厚度?;钚詫雍穸仁且粋€參數,但它不會反映為模型幾何體中的厚度,也就是說氣體成分和電勢在沿活性層的厚度方向上是恒定的。氫氣通道由波紋板形成,波紋板也用作與陽極接觸的電流氣體通道。充滿液態水的冷卻通道在氫氣通道的另一側運行。氣室由一個擴展的網狀集流體組成,該集流體將陰極與金屬平板分開。位于擴展網格頂部的金屬板用作雙極板,將陰極室與下一個電池的冷卻通道隔開。該冷卻通道將在當前電池上方重復堆疊。

請注意,圖7的寬度為兩個單位,它包含兩個氫氣流道。由于沿寬度對稱,我們只需要對該幾何結構的 1/4 進行建模。但是,這種結果很難解釋,而且模型方程可以在幾分鐘內求解,因此可以使用比所需要的模型大的幾何結構。

一個非等溫 PEM 燃料電池的幾何結構,標注了擴張網狀集流器、雙極金屬板、空氣入口、氫氣入口、冷卻水、波紋板電流饋入器、陽極 GDL、膜和陰極 GDL。
圖7. 非等溫質子交換膜燃料電池教程模型的幾何結構。

圖中幾何結構的右側顯示了濕空氣和氫氣流的入口以及液體冷卻液。

使用 單相流 接口的層流納維-斯托克斯方程描述冷卻液態水,使用 傳熱 接口定義和求解電池溫度。使用模型中的 反應流、電化學加熱非等溫流 多物理場節點定義理解電池整個運行(包括流動、化學物質傳遞、電化學反應和通過電池的傳熱)過程中涉及的各種多物理場現象。

這里要研究的是空氣流道中使用的擴展網狀結構的影響。設計此結構是為了創建一個垂直于膜電極組件的流場分量,以確保氧氣供應和水排出。燃料電池的性能可能會隨著控制擴展網格幾何結構的參數而異。這些參數可能會影響集流體與電極接觸之間的關系,以及用于質量傳輸(包括去除水)的區域。該模型允許在給定的運行條件和負載下優化結構。你可以在下一節查看該模型的仿真結果圖,還可以通過 COMSOL 案例庫下載該模型的 PDF 文檔和 MPH 文件,嘗試自己構建這個模型。

仿真結果

下圖左顯示了朝向出口側增加的膜電解質電流密度。由于水的形成,膜的導電性隨膜的含水量的增加而升高。如果查看膜的含水量,可以看到水積聚在集流體和陰極之間的接觸區域下方,那里的電流密度也很大。如果水淹沒陰極,阻礙氧氣的運輸,這最終可能會成為一個問題。假設我們在保持工作條件不變的情況下,通過將氫流道的長度增加一倍來拉長電池的長度。那么,最終會看到沿流道長度方向的電流密度急劇降低,因為質量傳輸限制導致氧還原反應減慢。

用彩虹色標顯示膜的電解液電流密度的圖,模型的最左邊是紅色、黃色和淺綠色,最右邊是淺藍綠色。
用棱鏡色標顯示膜的相對濕度的圖,其中模型的最左邊是紫色、紅色和橙色;中間是黃色、綠色、橙色和藍色;最右邊是藍色。

圖8.電池電壓為 0.5V 時,膜的通平面電解質電流密度(左)和膜的相對濕度(右)。

使用這個模型,我們還可以觀察陰極氣體混合物中的氧摩爾分數和水蒸氣摩爾分數。朝出口方向的氧氣水平降低,水含量增加。

用彩虹色標顯示氧氣摩爾分數的圖,模型的最左邊是黃綠色,中間是橘紅色,最右邊是暗紅色。
用彩虹色標顯示氫氣摩爾分數的圖,模型的最左邊是藍色;中間是淺藍色、黃色和橙色;最右邊是紅色。

圖9. 氧摩爾分數(左)和氫摩爾分數(右)仿真圖。

此外,還可以看到整個電池和冷卻流道的溫度曲線。在膜電極組件中觀察到最高溫度,這很合理,因為熱源是通過焦耳熱和活化損失產生的。

用 HeatCamera 顏色表顯示 PEM 燃料電池中的溫度分布圖,模型的底部是紫色,中間是黃色,頂部是紫色。
圖10. 電池內的溫度分布。

電池的功耗如圖11所示。該仿真圖顯示了電池中熱量的分布??梢钥吹?,最明顯的熱源在膜內部,這是由于膜的導電性差所致。此外,還可以看到在擴展網格與陰極接觸的位置產生了大量的熱。在這個位置,電極的導電性相對較差(與集流體相比),而電流密度很高。

用彩色標尺顯示的MEA、饋電和集流體中熱源圖,其中模型的底部是淺藍色和深藍色,中間大部分是黃色,頂部大部分是淺藍色。
圖11. 膜電極組件、饋電和集流體中熱源的對數圖。

最后,我們可以生成電池的極化曲線,顯示電池電壓與平均電流密度(每單位膜面積上的電流)的函數關系。在低電流密度下,電池電壓的顯著下降主要是由于陰極的活化過電位造成的。同時,在電流密度稍高的情況下,隨之出現一個以歐姆損耗為主的線性區域。我們看到在高電流密度下的損耗略有增加,其中由于質量運輸阻力而導致曲線略微向下彎曲。

顯示電池電壓與平均電流密度關系的圖。
圖12. 極化曲線顯示電池電壓與平均電流密度的函數關系。

4. 燃料電池堆冷卻

COMSOL Multiphysics 6.1 版本新增了燃料電池堆冷卻教程模型,可用于評估由 5 個電池、5 個膜電極組件和 2 個端板組成的質子交換膜燃料電池堆的熱管理。這類分析很重要,因為燃料電池堆電池內的溫度分布不均勻會導致水蒸氣冷凝不均勻,以及電池間性能的不必要變化。

在本例中,電堆與含液體冷卻液的雙極板交疊在一起。左側圖片顯示了用于構建模型幾何結構的重復單元。中間和右側的圖片顯示了最終的模型幾何結構,由兩個金屬端塊夾著 5 個堆疊的單元構成。

標有冷卻水出口、氫氣出口、空氣進口、冷卻水進口、氫氣進口、MEA和空氣出口的重復單元單元的幾何結構。
含 5 個基本單元的電池堆的空氣流道示意圖,標記了終端板、進氣口、雙極板和流形、MEA和出氣口。

含 5 個基本單元的電池堆的氫氣通道模式圖,標記了終端板、氫氣出口、雙極板和流形、氫氣進口和 MEA。

圖13. 在圖中,我們可以看到重復的基本單元(左)以及含 5 個電池單元的電池堆,顯示了氧氣流道模式(中)和氫氣流道模式(右)。包含空氣和氫氣流道的金屬板(左圖中以粉紅色和藍色顯示)在電池堆中背靠背焊接。流道的模式使焊縫之間有空隙,形成了冷卻水的流動通道。端板用于固定結構并施加壓力,以保持雙極板與膜電極組件之間的最佳接觸。

該模型定義了以下方程:

  • 溫度
  • 電極和電解質相電位
  • 反應物質在每個單獨氣室中的質量傳輸
  • 氣體和液體流動室中的流體壓力和流場
  • 膜電極組件活性層中的電極動力學

在這個模型中,值得研究的方面是電池堆中可能發生的組成、溫度和電流密度分布的變化。這些因素取決于雙極板和膜電極組件的幾何結構,還可能取決于電池堆中包含的基本單元數量。該模型允許我們使用具有反映氣體流道結構的各向異性特性的多孔介質方法處理氣體流道的幾何結構。通過將這種方法與氣體流道的完整描述進行比較,我們可以驗證其準確性。這種方法提供了良好的準確性(取決于目的),同時大大降低了計算成本(CPU 時間和內存要求)。

下節,我們將展示這個模型的仿真結果,你可以在 COMSOL 案例庫中下載此模型的 PDF 說明和 MPH 文件,嘗試自己模擬。

仿真結果

圖14 顯示了電極之間膜中的電流密度分布??諝獾墓坪鯖Q定了電荷轉移速率,導致進氣口處的電流密度較高,出口處的電流密度較低。此外,電池堆頂部、中部和底部的電流密度分布幾乎相同。

用棱鏡色標顯示頂部電池中膜上電極之間的電流密度的圖,其中PEM燃料電池堆模型的最左邊是淺紫藍色,中間是水藍色和淺綠色;最右邊由綠色、黃色、橙色和紅色組成。
用棱鏡色標顯示電池中部的膜上電極之間的電流密度的圖,其中PEM燃料電池堆模型的最左邊是淺紫藍色,中間是水藍色和淺綠色;最右邊由綠色、黃色、橙色和紅色組成。
用棱鏡色標顯示底部電池膜中電極之間的電流密度的圖,其中PEM燃料電池堆模型的最左邊是淺紫藍色,中間是水藍色和淺綠色;最右邊由綠色、黃色、橙色和紅色組成。

圖14. 頂部(左)、中間(中)和底部(右)電池膜中電極之間的電流密度。

圖15 顯示了氣體流道和多孔電極中頂部電池中的氫和氧摩爾分數。與預期的一樣,頂部的電流密度分布反映了氧摩爾分數的分布。請注意,氧氣的消耗程度比氫氣大得多。此外,氧氣沿陰極厚度方向耗盡,而氫摩爾分數沿陽極厚度方向幾乎不變。

顯示氫氣摩爾分數與彩虹色標的圖,其中模型的最左邊是淺藍色和深藍色;中間是黃橙色;最右邊是淺紅色、橙色和黃色。
顯示氧氣摩爾分數與彩虹色標的圖,其中模型的最左邊是淺藍色和黃色;中間是黃色、紅色和橙色;最右邊是深紅色。

圖15.電池堆頂部電池中的氫摩爾分數(左)和氧摩爾分數(右)。

圖16 顯示了陰極氣體流道和電極、膜以及陽極流道和電極中電堆頂部電池中的溫度,在顏色圖例中從右到左表示。膜中的溫度較高,這是意料之中的,因為膜具有較低的導電性和導熱性。此外,溫度沿著冷卻水的方向升高,這也是意料之中的。

用 HeatCamera 的顏色表顯示頂部單元的溫度的圖,其中模型的最左邊是黃色,中間是粉紅色和紫色,最右邊是深紫色。
圖16. 電池堆頂部單元的溫度。

圖17 顯示了電池堆中的溫度。最高溫度出現在中間單元膜中。這個位置離有助于冷卻的端板最遠。雙極板中的冷卻通道也提供冷卻功能。此外,還可以看到兩個端板的溫度分布相同。

用 HeatCamera 顏色表顯示電池堆中溫度的圖,其中模型的最左邊是黃色、橙色和淺粉色、紫色;中間是紫色和粉色;最右邊是深紫色。
圖17.電池堆中的溫度。右側和中間的顏色圖例對應端板,左側顏色圖例對應電池單元。

該模型顯示了沿電池堆高度方向溫度的輕微變化。如果要堆疊更多的電池單元,這種情況將會改變。堆疊更多單元將導致沿電池單元高度方向的氧氣或氫氣被耗盡,歧管中的氣體流道也會發生變化。

下一步

文中僅介紹了幾個如何使用仿真開發燃料電池的案例,COMSOL 案例庫中還有更多其他案例。工程師通過仿真能夠更深入地理解燃料電池的運行,不斷提高電池的整體效率、功率和可靠性。

請注意,文中顯示的所有案例都是使用燃料電池和電解槽模塊開發的。單擊下面的按鈕,了解有關此模塊的更多信息(可用于模擬氫燃料電池和工業電解槽等)!

下載教程模型

單擊下面的鏈接,進入 COMSOL 案例庫,下載隨附的 MPH 文件,嘗試自己構建文中提到的教程模型。

  1. 固體氧化物燃料電池中的電流密度分布
  2. 具有蛇形流場的低溫質子交換膜燃料電池
  3. 非等溫質子交換膜燃料電池
  4. 燃料電池堆冷卻

評論 (65)

正在加載...
佳佳 仝
佳佳 仝
2023-04-06

Have you done any research on electrochemical attenuation?

yongchao wang
yongchao wang
2023-07-21 COMSOL 員工

對于燃料電池還沒有壽命衰減的案例,在建模的過程中可以通過添加副反應描述電池內催化劑的老化,另外在comsol中可以通過定義“輔助物質”描述體系內有毒化作用的痕量物質,就可以描述催化劑的毒化過程;

樹杰 王
樹杰 王
2024-10-31

請問應該如何添加副反應,我是使用的化學+濃物質傳遞模塊,在化學模塊中定義反應速率,在濃物質傳遞模塊中添加反應源,比起之前的模型收斂更加困難了

, Toro
, Toro
2023-05-27

How is this’Specific surface area ‘ defined? What is the specific calculation formula? in pemfc

yongchao wang
yongchao wang
2023-07-21 COMSOL 員工

比表面積表示在多孔介質中單位體積內的活性面積,計算公式為:活性比表面積=S/V,其中S為體積V內的活性表面積,一般活性比表面積是可以通過實驗的方法測得的。

立 陳
立 陳
2023-07-31

燃料電池電池之間的串聯該如何實現呢?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2023-10-30 COMSOL 員工

對于串聯的話,直接可以把電池堆疊的幾何畫出來,在兩側雙極板指定總電壓就可以了,您可以參考我們官網關于電堆的案例“http://www.zdgkjt.cn/model/fuel-cell-stack-cooling-105191”。

優昂 朱
優昂 朱
2023-10-29

請問,第一個固體氧化物燃料電池的例子,功率曲線如何平滑的呢?為什么我的是折線圖

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2023-10-30 COMSOL 員工

您好,主要原因是您進行輔助掃描掃略的電壓數量太少了,所以才導致了曲線不平滑,您可以嘗試減小每步掃略電壓的差值。

優昂 朱
優昂 朱
2023-10-29

Excuse me, for the first solid oxide fuel cell example, how smooth is the power curve? Why is mine a line chart

yongchao wang
yongchao wang
2023-11-02 COMSOL 員工

您好,主要原因是您進行輔助掃描掃略的電壓數量太少了,所以才導致了曲線不平滑,您可以嘗試減小每步掃略電壓的差值。后處理時,可以將計算好的功率曲線數據,引用到“插值”函數中,可以在插值函數中對數據進行“分段三次”插值,使結果更平滑。

澤楠 華
澤楠 華
2023-11-08

請問如何在固體氧化物燃料電池中設置接觸電阻?

Yi Li
Yi Li
2023-11-13 COMSOL 員工

您好,在最新的6.2版本軟件中,右擊“電子導體相”節點,可以設置內部電極接觸電阻,6.1及之前版本軟件無該功能。

洋 蘭
洋 蘭
2023-11-13

同樣的設置換一種幾何形狀的模型進行仿真,開啟輔助掃描后就會報錯:找不到所有參數的解,即使采用最小步長也是如此,達到最大分離迭代次數,返回的解不收斂,沒有返回所有參數步長。關閉輔助掃描就不會報錯,請問這是哪里出問題了?

Qihang Lin
Qihang Lin
2023-11-13 COMSOL 員工

建議先單獨測試掃描到不收斂的參數是否能夠計算收斂,如果單獨計算也不收斂則說明是給入的數值過于極端導致的不收斂。

闖 李
闖 李
2023-11-16

我也是換一種模型就有問題了,就會報錯,關閉輔助掃面會好嗎?

009 Present
009 Present
2023-11-16

請問一下,這篇文章的第一個模型,sofc單通道這個,就是和官網教程一樣的這個模型,官網的案例中,最后計算完成,電解質電位為什么會顯示負值?電解質電位是負值是對的嗎?實際上這個值應該是什么樣的???

Yi Li
Yi Li
2023-11-24 COMSOL 員工

您好,電解質電位負值是正常的,其值和具體的工況相關,您可以改變電池電壓,查看不同工況下電解質電位的變化。

新翔 武
新翔 武
2023-11-20

您好,我想詢問一下第三個案例這種細網格設計的出處,以及comsol中是否有除了這四個更多的關于燃料電池的仿真建模案例

Yi Li
Yi Li
2023-11-24 COMSOL 員工

出處詳見案例pdf文檔中的參考資料,http://www.zdgkjt.cn/model/nonisothermal-pem-fuel-cell-102461;更多燃料電池案例可以在案例庫中檢索對應關鍵詞,http://www.zdgkjt.cn/models。

澤楠 華
澤楠 華
2023-12-10

1.請問如何在固體氧化物燃料電池仿真中畫出Y軸分別為活化過電位、歐姆過電位、濃差過電位,x軸為電流密度的圖呢。2.x軸可以選擇探針中的表達式,但是Y軸的過電位只能選擇在氫燃料電池——電極動力學——過電位,此處的過電位又是哪一種過電位呢?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2023-12-11 COMSOL 員工

您好,對應幾個過電位需要您自己對自己的模型進行了解,然后通過后處理把對應的變量,過電位其實也就是電壓的下降值。例如您說的電極動力學節點下的過電位就是對應電極動力學的過電位也就是活化過電位。比如濃度的影響,大概率您可以從平衡電位處找到相應的電壓降,對于歐姆的話往往是對應電解液中的電位降。

澤楠 華
澤楠 華
2024-04-03

平衡電位與濃差極化之間的確存在著密切的關系,但不能通過平衡電位來得出濃差極化吧?

徐武 朱
徐武 朱
2023-12-14

請問固體氧化物水電解槽物理場怎么描述氨氣的電解,總反應是N2+H2O=NH3+O2,默認是含氫氣的

yongchao wang
yongchao wang
2023-12-14 COMSOL 員工

1.水電解槽接口未預置NH3,如果想在此接口中實現該功能可以用已有的物質替代(如CO2或CO等),在擴散電極中可以根據實際情況定義相應反應的化學計量數、平衡電位、電極動力學等(如果由多個電極反應也可以分別定義,可參考案例模型:http://www.zdgkjt.cn/model/water-and-carbon-dioxide-co-electrolysis-in-a-solid-oxide-electrolyzer-cell-121571 ),在”氫氣相“中需要將內置的”動力粘度“、”二元擴散系數“改成用戶定義;
2.也可以采用二次電流分布+濃物質傳遞+流場進行耦合仿真,這樣可以更靈活的定義混合氣體的組分,混合氣體的熱力學屬性可以通過熱力學系統進行計算,可以參考案例模型:http://www.zdgkjt.cn/model/solid-oxide-electrolyzer-using-thermodynamics-74001

jingjing Liang
jingjing Liang
2024-01-24

你好,你說到就是共電解的模型,請問在一個電極里面涉及H2O的電解以及CO2的電解,總電流固定,部分電流電解H2O,剩下的部分電解CO2,你們這個電流的分配是依據什么進行的呢?輸入的參數里面就是涉及H2O電解和CO2電解的BV方程的參數,例如交換電流密度,電荷轉移因子等等,都是分別輸入的,但是沒有看到哪里體現了兩個電解反應的競爭關系;

jingjing Liang
jingjing Liang
2024-02-16

您好,我正在使用SOEC電解槽模擬共電解,請問為什么我計算的第一個步驟進行二次電流初始化的時候,得到的電解H2O的初始平均電流密度是正的,而電解CO2的平均電流密度是負的呢,我在化學計量數的設置那里反復檢查了,設置的沒有問題,請問初始化出現這樣的問題是由于什么導致的呢?

澤楠 華
澤楠 華
2023-12-26

上一條留言我問了工程師如何設置接觸電阻,工程師給我的答復是需要使用comsol6.2版本來設置。后續我也設置了內部電極接觸電阻位0.05Ω*cm2,但是跑出來的極化曲線和功率曲線都和沒添加接觸電阻之前的數據沒有變化,請問這是什么原因?

Yi Li
Yi Li
2023-12-26 COMSOL 員工

您好,可能由于設置的接觸電阻值過小,最終從極化曲線的線圖上看不出來區別,您可以比較下極化曲線對應點處的具體數值,看看是否有區別,或者增大接觸電阻值,使區別更加明顯。

冰 麥
冰 麥
2024-03-15

請問第一個SOFC模型如果我要分析它的溫度場,是要耦合一個多孔介質傳熱嗎,我在耦合的時發現溫度超過800K時,解就不收斂了

yongchao wang
yongchao wang
2024-03-21 COMSOL 員工

您好,可能是在800K時,邊界條件設置的參數不太合理了,溫度升高會加快反應速率,可能會導致反應物質量分數出現異常,所以不收斂,如有具體修改后的模型,可以考慮發送到support,進行討論。

澤楠 華
澤楠 華
2024-04-01

我們知道活化極化與溫度和電流大小等參數有關,而濃差極化與組分濃度有關??偦罨瘶O化由陰陽極活化極化相加。濃差極化也是類似的。
但是由于這些參數都在三維空間上分布,因此所獲得的極化也應該在空間上分布。我們該如何在后處理中獲得模型中的活化極化和濃差極化的?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-04-12 COMSOL 員工

您好,活化極化您可以在對應的B-V公式中找到過電位這個變量,就代表了活化極化,您需要打開方程視圖在對應的電極動力學節點找到變量“fc.eta_h2gder1”。對于濃差極化主要是能斯特方程后面的活度修正項,您也需要在方程視圖中找到對應的項并輸出“fc.Eeq_h2gder1”。

優昂 朱
優昂 朱
2024-05-08

請問,我的功率曲線不是從0開始的,這個現象正常嗎?是否可以解決?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-05-10 COMSOL 員工

您好,對于這種問題,需要區分一下您進行的是穩態計算還是瞬態計算。同時需要考慮您對于電荷物理場所設置的邊界條件是怎樣的。比如,您如果設置與開路電位相同的電壓邊界條件進行穩態計算,一開始確實是沒有電流的,也就是功率是0。但是如果掃略的電壓一開始與開路電位有偏差,剛開始就會有電流,也就是功率不為0。您可以嘗試把模型發到技術支持,才能幫您具體分析。

希璞 張
希璞 張
2024-05-20

請問6.2版本如何設置集流體與氣體擴散電極的外部接觸電阻?感謝!

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-05-29 COMSOL 員工

您需要在電子導電相節點下,電接地或者電勢邊界條件設置的時候,可以勾選包含接觸電阻。

Jiale Pang
Jiale Pang
2024-06-05

我將6.2版本的案例“非等溫質子交換膜燃料電池”里的接觸電阻Rc的值從1e-7[ohm*m^2]增加到100[ohm*m^2],但是極化曲線沒有任何變化,請問這是什么原因?

yongchao wang
yongchao wang
2024-06-18 COMSOL 員工

您可以將COMSOL軟件更新到最新的版本,在6.2發布后會有一些小的更新(見:http://www.zdgkjt.cn/product-update),目前在最新版本測試是沒有問題的。

希璞 張
希璞 張
2024-07-13

請問要進行氨SOFC的模擬,如何設置陽極反應氣(選項中沒看到氨氣)

海洋 周
海洋 周
2024-07-15

上面有個要水解制氨氣的,他給了例子,你可以反過來用嘛

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-07-16 COMSOL 員工

您好,對于氨SOFC的模擬,如果是直接氨燃料電池,建議您使用二次電流接口+濃物質傳遞接口來代替氫燃料電池接口的功能進行仿真。

海洋 周
海洋 周
2024-07-16

有能參考的案例嘛

樹杰 王
樹杰 王
2024-10-31

您好,請問解決了嗎,我也是做氨SOFC的,可以交流一下嗎

海洋 周
海洋 周
2024-08-04

您好!在進行案例復現高溫質子氧化膜燃料電池的時候為什么域探針探取表達式是對變量積分后使用fc.iv_h2gder1/((W_ch+W_rib)*L)/1e4的表達式
而不是直接探測fc.iv_h2gder1的平均值
fc.iv_h2gder1/((W_ch+W_rib)*L)/1e4
表達式后面((W_ch+W_rib)*L)/1e4這一部分含義是什么呢,不會影響計算結果嗎
謝謝!

yongchao wang
yongchao wang
2024-08-08 COMSOL 員工

變量fc.iv_h2gder1描述的是電極區域體電流密度,單位為[A/m^3],對此變量進行積分會得到電極總的電流,再除以電極的長及寬(即((W_ch+W_rib)*L))會得到電極的電流密度,此時,電流密度的單位為[A/m^2],在后處理結果中的“極化圖”電流單位為[A/cm^2],所以在域探針處,除以1e4是對單位進行了換算;由于fc.iv_h2gder1是體電流密度,所以不能直接取平均代表極化曲線中的電流密度。

光輝 魏
光輝 魏
2024-09-14

你好,我做了一個制氫裝置,想將產生的氫氣導入質子交換膜燃料電池。但是我不太明白通入的氫氣質量是怎么控制為固定值的。

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-09-20 COMSOL 員工

您好,氫氣質量的話需要在流動接口添加,可以選擇入口的邊界條件為質量流,然后填入對應的質量流率,但是需要注意的是,此時填入的是氫氣側所有混合氣體的質量流率。

羽 趙
羽 趙
2024-11-04

請問COMSOL燃料電池是不能直接改變催化劑的類型的,官網視頻提到過如果要改變催化劑,只能對它的平衡電位,電流密度,活性比表面積以及一些相關的反應參數去做修正,那么如何去衡量或者說推導這些對應的參數。

yongchao wang
yongchao wang
2024-11-07 COMSOL 員工

對于催化劑的參數的辨識,可以通過實驗去測試催化劑的阻抗譜等數據,然后通過參數估計對催化層反應動力學參數進行反演,具體可參考資料:http://www.zdgkjt.cn/model/electrochemical-impedance-spectroscopy-in-a-fuel-cell-218
http://www.zdgkjt.cn/blogs/electrochemical-impedance-spectroscopy-experiment-model-and-app
http://www.zdgkjt.cn/blogs/studying-impedance-to-analyze-the-li-ion-battery-with-an-app

羽 趙
羽 趙
2024-11-04

在質子交換膜燃料電池中,氫氣相或者氧氣相節點下需要定義對應的氣體入口參數,可是入口處如果定義摩爾分數不就是相當于只定義了混合物的組分,而不是流入速度或者流量嗎(還是說軟件會自動進行流入操作)?那不就意味著沒有反應物流入,不會發生化學反應嗎?為什么還能求解出電流分布呀!求解答

yongchao wang
yongchao wang
2024-11-07 COMSOL 員工

1.在燃料電池接口中不勾選“使用達西定律來描述動量傳遞”,入口只定義組成成分,在流場中定義流速或質量流量,如果定義的是質量流量,會根據燃料電池中入口組成及壓力換算出入口速度;
2.如果燃料電池接口中勾選“使用達西定律來描述動量傳遞”,在“氫氣入口”處會顯示“流動邊界”條件,可以是“壓力”或“質量流”。

世昌 趙
世昌 趙
2024-11-07

“在化學反應計量中包含液態水”是什么意思?反應只有加濕空氣,應該是有部分氣態水。勾選這一項是不是意味著考慮液態水的傳輸,這里的液態水是不是在反應過程中陰極生成的,在氫燃料電池+兩個布林克曼+傳熱的基礎上還需要添加那種物理場呢?是不是還要在氧氣相中添加一個源項?

Yi Fan Wang
Yi Fan Wang
2024-11-13 COMSOL 員工

您好,勾選這一項不意味著考慮液態水的傳輸。它只是考慮有這種物質,之后可以添加氣液相變源,考慮液態水生成與消耗的源相。這個源相您可以使用到其它接口中去(一般是使用到兩相流接口)。氧氣項里面氣液相變的質量源軟件有內置的功能“水冷凝-蒸發”。之后可以在多相流接口中使用這個質量源。您可以參考案例“http://www.zdgkjt.cn/model/two-phase-flow-in-a-polymer-electrolyte-membrane-fuel-cell-127771”。

旺 高
旺 高
2024-11-29

老師,你好,在燃料電池要定義擴散層的孔隙率分布為梯度分布,隨著擴散層的位置變化,要怎么樣定義呢。

yongchao wang
yongchao wang
2024-12-05 COMSOL 員工

如果擴散層的孔隙率與位置相關,則可以將孔隙率寫成空間坐標(x、y、z)的函數,這樣孔隙率就會隨空間位置發生變化了。

世昌 趙
世昌 趙
2024-12-07

老師請問一下,電流密度是評價燃料電池性能的指標,那一般來說是選擇哪一個域或者是面作監測呢?內置的表達式較多,又該如何選擇呢?感謝老師解答

Yi Li
Yi Li
2024-12-12 COMSOL 員工

可以參照該案例設置:http://www.zdgkjt.cn/model/mass-transport-analysis-of-a-high-temperature-pem-fuel-cell-8550,選擇催化層,對fc.iv_h2gder1或fc.ivtot進行積分監測

W X
W X
2024-12-18

請問關于直接氨燃料電池(堿性膜),我是用二次電流+濃物質傳遞+流場代替氫燃料電池接口進行仿真,但是氨燃料電池還存在氨滲透膜的問題,陽極部分氨氣會穿過交換膜進入到陰極進行氧化反應(寄生反應)會產生寄生電流,影響電池的性能。這部分應該用什么物理場接口進行描述,有沒有類似案例

yongchao wang
yongchao wang
2024-12-20 COMSOL 員工

可以參考”質子交換膜燃料電池“中膜中氫氣、氧氣、氮氣穿過膜的控制方程,用自定義方程的方法進行定義,可參考案例:http://www.zdgkjt.cn/model/nonisothermal-pem-fuel-cell-102461

世昌 趙
世昌 趙
2024-12-25

為什么加密或者稀疏網格后會報錯”電位變量找不到解“的情況呢,好像流動場對收斂性的影響很大。質量流量入口和那一種出口條件搭配比較合適呢。

火貝 張
火貝 張
2025-01-13

請問在外部建立了幾何模型,電解質層、陰極功能層,陽極功能層的尺寸量級和其他相比差異比較大,模型導入后,定義幾何的時候找不到電解質層、陰極功能層,陽極功能層,尺寸比較大的都可以找到,這需要如何解決呢?

王 剛
王 剛
2025-01-14 COMSOL 員工

有多種方法可以考慮,例如,假設這些層厚相對非常薄,可以考慮是否能夠簡化為薄擴散電極(即,邊界條件);如果確定要使用全 3D 模型,可以修改(或新建)定義節點下的視圖子節點,將其中“相機”的“視圖比例”設置為“自動”,通常會自動將 x、y、z 的坐標軸進行適當的縮放,方便大家查看和選擇對象。

火貝 張
火貝 張
2025-01-14

請問這是為什么呢?就是幾何一直放大后還是找不到,導入的時候可以看到各層,在定義的時候,那4層薄薄的就只能識別到一層,鼠標放上去沒有多層只有一層的顯示,像是合在一起了。

文鵬 何
文鵬 何
2025-02-17

你好,在使用低溫燃料電池進行仿時候,即使我使用軟件自帶案例,對燃料電池出口設置背壓,即對燃料電池空氣與氧氣出口設置壓力,仿真會出現錯誤,請問是什么原因導致的呢?

瀏覽 COMSOL 博客
日韩 欧美 视频,手机在线看日韩,日韩另类自行车高潮,亚洲欧美日韩成人版在线