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Migliora l'efficienza energetica con il Fuel Cell & Electrolyzer Module

Modellazione di celle a combustibile ed elettrolizzatori per progettazione e analisi delle prestazioni

Il Fuel Cell & Electrolyzer Module è un componente aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics. Aiuta ad acquisire una comprensione più approfondita dei sistemi di celle a combustibile ed elettrolizzatori, utile per progettare e ottimizzare le celle elettrochimiche. I tipi di sistemi che possono essere studiati includono celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC), celle a combustibile a scambio di idrossido (alcalino) (AFC), celle a combustibile a carbonato fuso (MCFC) e celle a combustibile a ossido solido (SOFC), nonché i corrispondenti sistemi di elettrolisi dell'acqua. Tuttavia, il software può modellare tutti i tipi di celle a combustibile ed elettrolizzatori.

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

Cosa puoi modellare con il Fuel Cell & Electrolyzer Module

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 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.

Le analisi riguardano 0D, 1D, 2D e 3D durante il funzionamento transitorio o stazionario. I modelli basati sulla fisica possono essere formulati anche nel dominio della frequenza per simulare esperimenti di spettroscopia di impedenza.

Una cella a combustibile con membrana a scambio protonico modellata con COMSOL Multiphysics e il Fuel Cell & Electrolyzer Module.
Frazione molare di ossigeno in una sezione dei canali e d elettrodo di diffusione del gas in una cella a combustibile a membrana a scambio protonico.

Elettrolizzatori ad acqua

La riduzione dei costi per l'energia eolica e solare ha incrementato la produzione di elettricità in aree remote, dove la portata della rete può essere limitata. Questo significa che la rete potrebbe non riuscire ad assorbire tutta l'energia elettrica prodotta quando il vento sofia e splende il sole. Si possono utilizzare gli elettrolizzatori per produrre localmente idrogeno dall'elettricità attraverso l'elettrolisi dell'acqua. Questo idrogeno può essere immagazzinato e riconvertito in energia elettrica grazie alle 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 a diffusione gassosa, lo strato attivo, il separatore di elettroliti e le placche bipolari con i canali. I modelli possono essere definiti a livello di cella unitaria nonché a livello di stack.

Come avviene per le celle a combustibile, i modelli sono basati sulla descrizione fisica e possono essere 0D, 1D, 2D e 3D, per operazioni stazionarie e transitorie.

Modello di una cella di un elettrolizzatore a ossido solido con la distribuzione della densità di corrente mostrata con una scala arcobaleno e le linee di flusso in un gradiente di colore da blu scuro a bianco. Distribuzione della densità di corrente in un piano al centro del separatore dell'elettrolita e linee di flusso di idrogeno nella cella di un elettrolizzatore a ossido solido. Il colore delle linee di flusso rappresenta la pressione parziale dell'idrogeno. La densità di corrente diminuisce nelle regioni in cui aumenta il potenziale di concentrazione a causa dell'evoluzione dell'idrogeno.

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

Il Fuel Cell & Electrolyzer Module contiene descrizioni dettagliate delle equazioni di trasporto, delle reazioni chimiche e delle reazioni elettrochimiche che si verificano nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori. Il software formula le equazioni che modellano elettrodi a diffusione gassosa, elettrolita nei pori, elettrolita (separatore) e piastre bipolari, che sono i componenti principali di questi sistemi. Ciò implica la modellazione delle celle in 0D, 1D, 2D o 3D completo durante il funzionamento stazionario o per esperimenti e operazioni transitori completi.

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 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 con 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.

La GUI di COMSOL Multiphysics con le impostazioni di Transport of Diluted Species mostrate e un modello di elettrodo a filo nella finestra grafica. Distribuzione della corrente sulla superficie dell'anodo a mesh in un elettrolizzatore con contro-elettrodi planari. In questo caso, vengono utilizzate le equazioni di Nernst–Planck, assumendo un elettrolita di supporto. Si tiene conto del trasporto per diffusione, migrazione e convezione delle specie reagenti.
La GUI di COMSOL Multiphysics con le impostazioni della funzione Reazione dell'elettrodo a diffusione di gas H2 e un modello di cella a combustibile a ossido solido nella finestra grafica.

La distribuzione della densità di corrente nell'elettrolita in una SOFC è fortemente correlata alla frazione molare dell'ossigeno nei canali del gas (canali superiori) mentre l'elettrodo di idrogeno contribuisce con una piccola quantità di sovrapotenziale di concentrazione (canali inferiori). La funzione Reazione dell'elettrodo a diffusione di gas H2 consente di definire i parametri cinetici per la reazione dell'elettrodo.

La GUI di COMSOL Multiphysics che mostra le impostazioni della cella a combustibile a idrogeno per un modello del catodo di una cella a combustibile.

La finestra Impostazioni per la cella a combustibile a idrogeno consente di selezionare i componenti della miscela di idrogeno e della miscela di ossigeno.

La GUI di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder, le impostazioni del riscaldamento elettrochimico e il profilo di temperatura per un modello di PEM passiva.

Il bilancio termico in una self-breathing PEMFC viene definito aggiungendo il riscaldamento elettrochimico nel nodo Multiphysics nell'albero del modello. La selezione dell'interfaccia Hydrogen Fuel Cell e dell'interfaccia Heat Transfer in questo nodo definisce automaticamente le fonti di calore elettrochimiche e i dissipatori di calore.

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.

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 ed Euler–Euler per flussi multifase dispersi, così come il trasporto di fase in mezzi porosi. Questi modelli 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.

Termodinamica built-in

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.

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, così come la 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.

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