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Fuel Cell & Electrolyzer Module

Progettazione e analisi di celle a combustibile ed elettrolizzatori

Il Fuel Cell and Electrolyzer Module è un prodotto aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics®. Aiuta ad acquisire una comprensione più approfondita di sistemi di celle a combustibile ed elettrolizzatori, utile per progettare e ottimizzare le celle elettrochimiche. Il modulo può essere utilizzato per studiare diversi tipi di sistemi, tra cui celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), celle a combustibile alcaline (AFC) e celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC), nonché i corrispondenti sistemi di elettrolizzatori ad acqua. Il modulo si adatta a tutti i tipi di celle a combustibile ed elettrolizzatori.

Come per ogni prodotto della suite di prodotti COMSOL, le funzionalità multifisiche sono integrate nel software per includere fluidodinamica multifase, trasferimento di calore, proprietà termodinamiche e altro ancora.

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Modello di cella a combustibile PEM in cui sono mostrati i campi di flusso del gas usando la scala di colori dell'arcobaleno.
Modello di una cella a combustibile con membrana a scambio protonico con canali a serpentina e la frazione molare di ossigeno mostrata in gradazione arcobaleno.

Celle a combustibile a idrogeno

Il Fuel Cell & Electrolyzer Module presenta formulazioni predefinite per i tipi più comuni di celle a combustibile a idrogeno, tenendo conto di elettrodi, elettroliti, collettori e alimentatori di corrente. Tra le celle a combustibile che si possono modellare ci sono PEMFC, AFC, PAFC, SOFC, MCFC e PEMFC ad alta temperatura, per citarne alcune.

La modellazione e la simulazione si possono utilizzare per prevedere la distribuzione di corrente e potenziale, la distribuzione delle specie chimiche e la distribuzione della temperatura in una cella a combustibile. In questo modo, la cella può quindi essere progettata per essere utilizzata nel modo migliore e offrire il miglior funzionamento possibile per un dato insieme di condizioni. È importante ottenere la rimozione dell'acqua ed evitare l'utilizzo non uniforme della cella, che potrebbe comportare prestazioni scadenti e una durata inferiore. Inoltre, si possono studiare aspetti microscopici degli elettrodi a diffusione gassosa e degli strati attivi, come il carico del catalizzatore, la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la distribuzione bimodale dei pori.

Elettrolizzatori ad acqua

Si possono utilizzare gli elettrolizzatori per produrre localmente idrogeno dall'elettricità attraverso l'elettrolisi dell'acqua. Questo idrogeno può essere immagazzinato e riconvertito in elettricità usando celle a combustibile, quando c'è richiesta e disponibilità di rete.

Il progetto di un elettrolizzatore ad acqua è simile a quello di una cella a combustibile a idrogeno, con la differenza che, rispetto a una cella a combustibile, la corrente scorre in senso inverso: il catodo è l'elettrodo negativo e l'anodo è l'elettrodo positivo. I modelli inclusi nel Fuel Cell & Electrolyzer Module comprendono la descrizione degli elettrodi di diffusione gassosa, lo strato attivo, il separatore di elettroliti e le placche bipolari con i canali.

Modello di elettrolizzatore ad acqua con la frazione del volume di gas visualizzata in un gradiente di colore da blu scuro ad azzurro.
Modello di separatore di elettroliti con linee di flusso che scorrono attraverso diversi canali e un piano sottostante in gradazione arcobaleno per mostrare la distribuzione della densità di corrente.

Elettrolizzatori industriali

Le funzionalità del Fuel Cell & Electrolyzer Module non si limitano agli elettrolizzatori ad acqua: è possibile modellare qualsiasi cella elettrochimica o elettrolizzatore. È inclusa la capacità di descrivere l'evoluzione di gas e flussi laminari multifase. Per sistemi come l'elettrolisi del clorato e il processo a membrana cloro-alcalina, il modulo può essere combinato con il CFD Module per trattare anche flussi turbolenti.

Caratteristiche e funzionalità del Fuel Cell & Electrolyzer Module

Esegui diverse analisi per celle a combustibile ed elettrolizzatori con il software COMSOL®.

A close-up view of the COMSOL Multiphysics UI showing the Add Physics and Graphics windows for a 3D PEMFC model.

Interfacce utente integrate

COMSOL Multiphysics® offre agli utenti combinazioni di interfacce utente preimpostate che definiscono un gruppo di equazioni insieme alle impostazioni per la generazione di mesh, solutori e risultati. Per il Fuel Cell & Electrolyzer Module, sono disponibili celle a combustibile a idrogeno ed elettrolizzatori ad acqua.

Selezionando una qualsiasi delle interfacce Hydrogen Fuel Cell e Water Electrolyzers, le proprietà di trasporto e di reazione per gli elettrodi di diffusione di ossigeno e idrogeno vengono definite automaticamente. È sufficiente selezionare i domini per gli elettrodi, l'elettrolita, il separatore e i canali del gas. È possibile anche selezionare le specie chimiche e le bireazioni da aggiungere agli elettrodi di diffusione dell'ossigeno e del gas idrogeno, come il vapore o l'anidride carbonica. Le equazioni del modello risolvono i potenziali dell'elettrodo (conduzione elettronica) e della fase elettrolitica (conduzione ionica) così come le frazioni molari delle miscele di gas nel sistema.

Visualizzazione in primo piano dell'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra le finestre Model Builder e Graphics per un modello di cella unitaria SOFC in gradazione arcobaleno.

Elettrodi a diffusione gassosa

La modellazione di elettrodi a diffusione gassosa (GDE) nel Fuel Cell & Electrolyzer Module è molto semplice. Le equazioni di trasporto nella fase gassosa e nell'elettrolita dei pori vengono definite automaticamente nell'interfaccia utente in base alle condizioni al contorno aggiunte. Il software contiene funzioni di dominio separate per la definizione degli elettrodi di idrogeno e ossigeno. Le principali reazioni degli elettrodi sono predefinite, ma si può cambiare la cinetica e aggiungere reazioni secondarie e parassitarie.

Il trasporto delle specie in fase gassosa è automaticamente accoppiato al trasporto nei canali del gas. La fluidodinamica è definita per il canale del gas e per la struttura porosa utilizzando le equazioni di Brinkmann per modellare il flusso in mezzi liberi e porosi completamente accoppiato.

Sono definiti anche il bilancio della carica nell'elettrolita (separatore) e l'elettrolita dei pori (l'elettrolita nello strato attivo o nel GDE). Vengono automaticamente accoppiati alle equazioni di trasporto in fase gassosa tramite le reazioni elettrochimiche e la legge di Faraday.

Visualizzazione in primo piano dell'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra le finestre Model Builder e Graphics per un modello SOEC.

Termodinamica integrata

Il contenuto delle miscele di gas negli elettrodi di idrogeno e ossigeno può variare a seconda dei diversi processi e delle diverse condizioni operative. Il Fuel Cell & Electrolyzer Module contiene un database di proprietà termodinamiche integrato per miscele di idrogeno e miscele di ossigeno. La miscela di idrogeno può contenere azoto, acqua, diossido di carbonio e monossido di carbonio come specie aggiuntive, al fine di modellare sottoprodotti da reazioni di reforming oltre all'idrogeno. Le stesse specie aggiuntive sono disponibili per la miscela di ossigeno. Quando si seleziona la composizione e si definiscono le pressioni parziali di riferimento, il software può calcolare il potenziale dell'elettrodo di equilibrio per le reazioni dell'elettrodo dell'idrogeno e dell'ossigeno, quindi anche il potenziale di equilibrio per la cella.

A close-up view of the COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder and Graphics windows for a 1D plot of primary, secondary, and tertiary current distribution.

Distribuzione di correnti primarie, secondarie e terziarie

Le simulazioni dipendenti dallo spazio (1D, 2D e 3D) possono tener conto di perdite ohmiche (primarie), perdite ohmiche e di attivazione (secondarie), così come di perdite ohmiche, di attivazione e di trasporto di massa (terziarie). Per distribuzioni di corrente terziaria, è possibile definire sistemi con elettrolita di supporto, elettroliti diluiti ed elettroliti concentrati. Le equazioni di trasporto, le equazioni di Nernst–Planck, si possono combinare con la condizione di elettroneutralità o l'equazione di Poisson.

La cinetica degli elettrodi può essere definita utilizzando l'equazione di Tafel, l'equazione di Butler–Volmer o con funzioni arbitrarie di sovratensione e concentrazione di specie chimiche. È possibile definire reazioni multiple sulla superficie di un elettrodo (un numero arbitrario).

Le interfacce di distribuzione di corrente possono essere utilizzate in combinazione con elettrodi porosi, elettrodi a diffusione gassosa ed elettrodi planari.

A close-up view of the COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder and Graphics windows for a fuel cell cathode model.

Flusso multifase e monofase in mezzi liberi e porosi

Uno dei fenomeni specifici nelle celle a combustibile a bassa temperatura e negli elettrolizzatori ad acqua è il trasporto simultaneo di acqua liquida e gassosa (vapore). Nelle celle a combustibile, il flusso deve anche spingere l'acqua fuori dalla cella, per evitare l'allagamento degli elettrodi. Allo stesso modo, nell'elettrolisi dell'acqua, un trasporto inadeguato del gas prodotto può rendere inattive parti della cella. In entrambi i casi, è importante modellare il flusso bifase negli elettrodi porosi e nei canali aperti.

Il Fuel Cell & Electrolyzer Module contiene modelli mixture, bubbly flow e Eulero–Eulero per flussi multifase dispersi, così come il trasporto di fase in mezzi porosi. Consentono la modellazione di flussi multifase in mezzi porosi (elettrodi) così come nei mezzi liberi aperti (canali). Per ulteriori informazioni su questi modelli per flussi multifase, visualizza la pagina del CFD Module.

Visualizzazione in primo piano dell'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra le finestre Model Builder e Graphics per un modello PEM.

Scambio termico

La definizione del bilancio energetico è incorporata quando si utilizza il Fuel Cell & Electrolyzer Module. Fonti di calore e dissipazioni originate da reazioni elettrochimiche, trasporto di ioni e specie chimiche, conduzione di corrente possono essere aggiunti automaticamente in un'analisi di scambio termico. Inoltre, il database termodinamico rende più semplice ottenere i dati di input per le simulazioni di gestione termica delle celle idrogeno-ossigeno.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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