Модуль аккумуляторы и топливные элементы

Анализируйте работу химических источников тока с помощью модуля Аккумуляторы и топливные элементы

Температурный профиль нагрева для батарейного блока на основе цилиндрического литий-ионного аккумулятора с воздушным охлаждением. Тепловая модель сопряжена с электрохимическими реакциями и ионным потоком, выполняющими функцию теплового источника.

От аккумуляторов и топливных элементов требуется повышенная энергоемкость и более длительный срок службы

Аккумуляторы и топливные элементы обычно работают в очень сложных условиях, следовательно, они должны быть эффективными и энергоемкими, а также должны долго служить. Эти требования оказывают растущее давление на соответствующие отрасли. Поэтому моделирование быстро становится одним из необходимых инструментов для разработки, проектирования, оптимизации, обеспечения качества и надежности аккумуляторов и топливных элементов. Примеры систем, которые можно исследовать, включают в себя свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-металл-гидридные аккумуляторы, твердооксидные и прямые метанольные топливные элементы, и топливные элементы с протоннообменной мембраной.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов (Batteries & Fuel Cells Module) моделирует базовые электрохимические свойства в электродах и электролитах аккумуляторов и топливных элементов. Он позволяет исследовать их характеристики в разных рабочих условиях, конструктивные конфигурации и износ из-за действия различных механизмов старения. Использование этого модуля расширения позволяет моделировать такие характеристики, как перенос заряженных и нейтральных частиц, электропроводность, поток текучей среды, теплопередачу, характер и движущие силы электрохимических реакций в плоском и в пористом электродах. Понимание этих характеристик делает возможным разработку и оптимизацию геометрии и выбор материалов для электродов, сепараторов, мембран, электролита, токосъемников и питателей вашей системы с учетом эксплуатационных характеристик, терморегуляции и безопасности.

Усложнение моделей аккумуляторов и топливных элементов

Начнем с простого

При создании модели нового объекта с нуля или даже модели аккумулятора или топливного элемента, которые уже были развернуты в вашем приложении, необходимо начать с простого, а затем постепенно усложнять процесс моделирования. Обычно это означает изучение характеристик устройства с помощью модели первичного распределения тока. Такая модель позволяет упростить электрохимическую реакцию, рассматривать электролит и другие компоненты в качестве проводников с сопротивлением и применять к ним закон Ома. Модели первичного распределения тока обеспечивают отличную обратную связь по геометрии вашего устройства и могут быть использованы для получения показаний по терморегуляции и даже структурной целостности с учетом теплового расширения.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит специализированные интерфейсы в составе графического пользовательского интерфейса COMSOL Desktop^® для целого ряда физических формул. Интерфейс первичного распределения тока, также известный как физический интерфейс, содержит соответствующие поля для определения свойств материала, например, удельной проводимости электродов и электролита, для разных компонентов конструкции вашего аккумулятора или топливного элемента. Кроме того, он легко объединяется с физическими интерфейсами, описывающими другие характеристики, например, Джоулев нагрев или анализ тепловых напряжений, которые могут находиться в этом модуле, в пакете COMSOL Multiphysics или в одном из других модулей, основанных на физических процессах.

Исследование электрохимических характеристик системы

При повышении уровня сложности вашего исследования, кинетические характеристики электрохимических реакций в значительной мере зависят от микроструктуры электродов, материала электрокатализатора и состава электролита. Существует совсем немного баз данных материалов, в которых перечислены кинетические параметры электрохимических реакций, поэтому электрохимики проводят опыты, чтобы найти эти параметры конкретно для своего устройства. Проведение тщательных и контролируемых опытов в закрытых системах, таких как аккумуляторы и топливные элементы, представляет сложность, особенно с учетом целого ряда различных физических параметров, которые могут влиять на электрохимический процесс. Чтобы получить точные описания этих кинетических параметров, зачастую нужно сравнивать свои опыты с моделями такого же экспериментального процесса и уделять максимум внимания фактическим значениям этих параметров. Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит физические интерфейсы, которые имитируют эти опыты, например, циклическую вольтамперометрию и электрохимическую импедансную спектроскопию (ЭИС или переменнотоковый импеданс), а также инструменты для импорта данных, нанесения их на график и даже выполнения оценки их параметров (для этого требуется модуль оптимизации (Optimization Module))

После определения электрохимических кинетических характеристик можно использовать их в исследовании аккумуляторов и топливных элементов с помощью моделей вторичного распределения тока. В этих моделях на электрохимические реакции непосредственно влияет механизм переноса заряда и активационных перенапряжений. Такие модели обеспечивают лучшие показания рабочего напряжения и тока вашей системы и полезны при выборе материалов для электрода и электрокатализатора, при этом они позволяют включать потери, вызванные активационным перенапряжением, в любое термическое исследование, которое может быть проведено.

Кроме того, интерфейс вторичного распределения тока может быть полностью связан с интерфейсами переноса химических частиц, описывающими перенос частиц в газовых порах, например, в газодиффузионных электродах. В описании газодиффузионных электродов перенос растворенных газов в пористом электролите и их перенос на активные участки может объясняться с помощью моделей с агломератом или тонкопленочных моделей. Тогда перенос газа в порах также объединяется с переносом и потоком в газовом канале, например, в биполярных пластинах топливного элемента.

Гомогенные реакции можно объяснить с помощью кинетических выражений в интерфейсе массообмена модуля аккумуляторов и топливных элементов, где можно определить произвольные элементы поглотителя и источника. Либо же их можно определить в физических интерфейсах модуля разработки химических реакций (Chemical Reaction Engineering Module) и связать с вашей моделью аккумулятора или топливного элемента.

Полное представление всего процесса

Предыдущие типы моделей допускают, что концентрация является постоянной во всем электролите, и что текущий перенос происходит только из-за миграции ионов, что явно не соответствует действительности. Одним из важных факторов, запускающих электрохимическую реакцию, является состав электролита вблизи реагирующих участков. Чтобы действительно изучить электрохимические характеристики аккумулятора и топливного элемента, может потребоваться исследование третичного распределения тока. Это позволяет учесть изменения концентрации и включает качественное описание балансов материалов и перенос в электролите.

Что касается третичного распределения тока, состав электролита и пористого электролита может быть полностью связан с балансами материалов в газовой фазе и в газовых порах в пористых электродах и газодиффузионных электродах. Используются модели с агломератами или тонкопленочные модели для описания переноса частиц через пористый электролит. В случае с аккумуляторами также используются специальные интеркалатные уравнения для объяснения переноса частиц электрода.

Материалы в сепараторах и электродах могут также вступать в гомогенные реакции, в результате чего может наблюдаться ухудшение производительности. Интерфейсы переноса химических частиц позволяют моделировать химические реакции этих материалов для оценки того воздействия, которое может оказывать старение материалов элементов на производительность аккумуляторов и топливных элементов.

Проводимость электрического тока в электродах и в токосъемниках описывается законом Ома и уравнениями сохранения тока. Здесь учитываются омические потери в электронных проводниках, таких как токосъемники и питатели, электроды, пористые электроды и газодиффузионные электроды. Токосъемники и питатели можно также моделировать с помощью тонких проводящих слоев, называемых иначе оболочками, что позволит избежать построения сетки вдоль толщины этих тонких слоев. Балансы токов в электронных проводниках можно связать с балансами токов в электролите и пористом электролите посредством реакций переноса заряда с помощью специальных электродных интерфейсов.

Интеграция моделей аккумуляторов и топливных элементов с другими физическими интерфейсами

Модели, созданные в модуле аккумуляторов и топливных элементов, можно интегрировать в физические интерфейсы любых других модулей пакета COMSOL. Такая интеграция позволяет обнаружить важную информацию, касающуюся разработки и работы токосъемников и питателей, систем охлаждения, оптимизации электродов, сепараторов и мембран, а также терморегуляции относительно эксплуатационных характеристик и износа компонентов из-за старения.

Интерфейсы потока текучей среды из модуля вычислительной гидродинамики (CFD Module) или модуля теплопередачи (Heat Transfer Module), которые поддерживают имитацию турбулентного потока, могут быть использованы в моделировании систем нагрева и охлаждения литий-ионных аккумуляторов или высокотемпературных топливных элементов, например, топливных элементов на расплаве карбонатов и твердооксидных топливных элементов. Для них могут потребоваться формулы для излучения «от поверхности к поверхности», которое поддерживается модулем теплопередачи. Оценку параметров после электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС или спектроскопии переменнотокового импеданса), вольтамперометрии, экспериментов и имитаций отключения тока можно выполнить в сочетании с модулем оптимизации (Optimization Module). Интересным дополнением для моделирования старения электродов послужит добавление структурных напряжений, вызванных изменениями в плотности во время зарядки и разрядки электродов. Эти напряжения можно использовать для оценки размера микротрещин в частицах электрода, которые приводят к потере электрической проводимости, что ухудшает эксплуатационные характеристики электрода.

Интерфейсы физик для моделирования всего многообразия электрохимических свойств

Модуль аккумуляторов и топливных элементов - это единственное программное обеспечение, которое можно использовать для моделирования всех типов топливных элементов и аккумуляторов, с самыми надежными функциями для имитации всех видов электрохимических свойств. В этом продукте содержится ряд физических интерфейсов, которые моделируют либо сами электрохимические процессы, либо окружающие процессы, воздействующие на них.

Перенос химических частиц

Реагирующие частицы аккумуляторов и топливных элементов могут переходить во множество разных состояний и фаз. Сюда входит состояние в виде газов, жидкостей и твердых тел, существование в концентрированных или разведенных электролитах, смесях и твердых растворах. Интерфейсы модуля аккумуляторов и топливных элементов для переноса материалов моделируют перенос химических частиц через множество несвязанных и пористых сред. Сюда относятся диффузия, конвекция и миграция в разведенных и концентрированных растворах и смесях, в плоских, пористых электродах и газодиффузионных электродах.

Термин «миграция» используется во всех физических интерфейсах и учитывается в интерфейсе третичного распределения тока с помощью интерфейса уравнений Нернста-Планка. Перенос материалов в физических интерфейсах моделирования литий-ионных, свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторов с бинарным электролитом также описан определенными способами, в зависимости от типа аккумуляторов. Имеется также специальный интерфейс реагирующего потока для моделирования переноса химических частиц, непосредственно связанного с потоком и химическими реакциями.

Кинетика электрохимических реакций

Как и во всех модулях пакета COMSOL, любое уравнение можно определить в полях редактирования физических интерфейсов и сделать их зависимыми от любой переменной в смоделированной вами системе. Если это выполняется для электрохимических реакций переноса заряда, кинетические выражения могут быть произвольными функциями концентрации и температуры химических частиц, а также локальными электродными и элекролитными потенциалами на границе электрод-электролит.

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит предопределенные физические интерфейсы, которые помогают определять эти кинетические выражения. Сюда входят интерфейсы электроанализа, которые особенно полезны, например, для моделировании переменнотокового импеданса. В интерфейсах вторичного и третичного распределения тока имеются поля редактирования для электродных кинетических параметров равновесного потенциала, анодного и катодного коэффициентов переноса заряда, плотности обменного тока, фактора симметрии и стехиометрии. Имеются также предопределенные выражения для выражений Батлера-Фольмера и Тафеля. В интерфейсе третичного распределения тока локальная концентрация электроактивных частиц входит в выражения реакции благодаря использованию переменных для концентрации. Эти физические интерфейсы также подходят для пористых и газодиффузионных электродов, так как в них можно определить эффективную проводимость электролитов и электродов, а также анизотропные свойства.

Балансы токов в электролитах и электродах

Практическое назначение аккумуляторов и топливных элементов заключается в упрощении преобразования химической энергии в электрическую, и наоборот (в случае аккумуляторов). Потери при этом преобразовании должны быть наименьшими, а старение должно быть сведено к минимуму. Имитации, которые будут использованы для разработки и оптимизации, зачастую должны включать в себя эффекты переноса ионов в электролите, мембранах и пористых электродах и электронную проводимость в электродах, все это в сочетании с сохранением тока и заряда.

Интерфейсы первичного и вторичного распределения тока допускают, что ионы перемещаются только при воздействии электрического поля, без учета диффузии, хотя они все же могут включать в себя приближенные аналитические выражения для концентрационных перенапряжений в пористых электродах. Интерфейс вторичного распределения плотности тока при использовании уравнения Максвелла-Стефана также может быть полностью связан с газофазным переносом в порах газодиффузионных электродов. Используются модели с агломератами или тонкопленочные модели для диффузии растворенных частиц в пористом электролите между газовыми порами и активными участками.

В интерфейсе третичного распределения тока учитывается перенос ионов под воздействием всех трех процессов переноса материалов: диффузии, конвекции и миграции по уравнениям Нернста-Планка. Поэтому все эти процессы включены в формулы, описывающие плотность тока, хотя конвекция обычно уравновешивается электронейтральностью. Эта формула также связана с реакциями переноса заряда на границе электрод-электролит и дает результаты для напряжения элемента, поскольку оно соотносится с током элемента для анализа стационарных и переходных процессов и частотного анализа.

Прохождение электрического тока в электродах и в токосъемниках описывается с помощью закона Ома в сочетании с уравнениями сохранения тока, включая электропроводность в пористых и газодиффузионных электродах. Интерфейс, упрощающий моделирование электропроводности в тонких токосъемниках и питателях при использовании тонких слоев (оболочек) без построения на них сетки, также включен в модуль аккумуляторов и топливных элементов. Кроме того, в топливном элементе могут содержаться электронные проводящие частицы или волокна для моделирования эффектов короткого замыкания и теплового пробоя в аккумуляторах.

Интерфейсы аккумуляторов

В модуль аккумуляторов и топливных элементов входят специальные физические интерфейсы для моделирования литий-ионных аккумуляторов. В них содержатся дополнительные условия и формулы для описания внутренней диффузии частиц (интеркаляция) и границы электролит - твердое тело (SEI), которая имеет толщину и используется как переменная модели. Увеличение границы твердое тело - электролит во время работы и при различных рабочих условиях может быть смоделировано для имитации старения. Также имеется интерфейс свинцово-кислотных аккумуляторов, где дополнительно учитываются изменения пористости в электродах из-за зарядки и разрядки аккумулятора и средняя приведенная скорость электролита, вызванная этими изменениями пористости. Аккумуляторы с бинарным электролитом лучше всего моделируются в специальном физическом интерфейсе, в котором рассматриваются концентрированные электролиты и ограничения, которые накладывает электронейтральность на перенос ионов в таких системах, а также интеркаляция частиц в элементах, образующих пористые электроды. Этот физический интерфейс полезен для моделирования никель-металл-гидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов.

Поток текучей среды

Ламинарный поток и поток жидкости в пористой среде рассматриваются в модуле аккумуляторов и топливных элементов в физических интерфейсах, где решаются уравнения Навье-Стокса, закона Дарси и Бринкмана. Можно учесть турбулентный и двухфазный поток, включив в имитацию интерфейсы потока текучей среды из модуля вычислительной гидродинамики (CFD Module).

Теплопередача

Модуль аккумуляторов и топливных элементов содержит физические интерфейсы для моделирования теплопередачи посредством конвекции, теплопроводности и тепловой диффузии вследствие воздействия миграции ионов. Существует специальный интерфейс Джоулева нагрева, включающий в себя влияние активационных потерь, а также интерфейс для моделирования теплопередачи в пористой среде. Он учитывает различные проводимости в твердой и жидкой фазах, вместе с конвективным рассеиванием тепла, происходящим в среде такого типа. Излучение «от поверхности к поверхности» может приниматься в расчет в высокотемпературных системах посредством связи ваших моделей с физическими интерфейсами в модуле теплопередачи (Heat Transfer Module).

Ключевые особенности

• Интерфейсы первичного, вторичного и третичного распределения токов для баланса токов в электролитах и заполненных электролитом порах для свободных и пористых сред
• Формулы электрической нейтральности, поддерживающего электролита, или уравнения Пуассона для баланса зарядов
• Уравнения Нернста - Планка в разведенных и концентрированных растворах
• Уравнение Нернста - Эйнштейна для связи подвижности и диффузионной способности в электролите
• Уравнение Максвелла - Штефана для переноса в газах, включая гомогенные и электрохимические реакции в качестве источников и стоков
• Закон Ома и сохранение тока в электродах
• Уравнение Нернста для равновесного потенциала и сохранения концентрационного перенапряжения
• Стехиометрия и закон Фарадея для автоматического соединения материалов и баланса токов в электродных реакциях

• Учет кинетики электродов для активационного и концентрационного перенапряжений
• Электрокатализ, включая адсорбцию и десорбцию
• Уравнения Батлера - Волмера и Тафеля для предварительно заданной кинетики
• Описание интерфейса сплошного электролита (SEI), включая переменную модели для изменения толщины интерфейса в зависимости от условий работы
• Переслаивание веществ в частях электрода
• Предварительно заданные составы для пористых и газодиффузных электродов, включая влияние пористости и кривизны, с использованием соотношения Брюггемана для действующих сред
• Модели агломерата и тонких пленок для описания переноса в электролитах в порах пористых и газодиффузных электродов
• Изменение пористости из-за растворения материала электрода в процессе работы, путем включения пористости в переменные модели, связанные с реакциями переноса заряда

• Спектроскопические исследования электрохимического полного сопротивления (полного сопротивления переменному току) для всех описываемых систем, включая влияние емкости двойного слоя
• Исследование процессов при прерывании тока
• Имитация стационарных и переходных процессов с настройками решателей, адаптированными для электромеханических систем
• Джоулев нагрев результате резистивных потерь и нагрев вследствие потерь при активации в электродах и электролите
• Теплопередача в свободной и пористой средах, включая ламинарные неизотермические потоки
• Предварительно заданное объединение с течением в пористых средах в контакте с открытыми каналами, например, биполярные пластины топливных элементов и каналы охлаждения, с использованием уравнения Бринкмана
• Перенос химических веществ и реакции для имитации старения вследствие химического разрушения материалов батарей, например, сепараторов

---

Область применения

• Разработка и исследование работы следующих устройств: %s
• Щелочные топливные элементы
• Метаноловые топливные элементы
• Топливные элементы на расплавленных карбонатах
• Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM)
• Топливные элементы на твердых оксидах
• Батареи топливных элементов
• Свинцово-кислотный аккумулятор
• Литий-ионный аккумулятор
• Никель-гидридный аккумулятор
• Блоки батарей
• Токосъемники и токоведущие кабели
• Пористые электроды
• Газодиффузные электроды (GDE)
• Сплошные электроды

• Моделирование и имитация: %s * Регулирования температуры
• Потерь тепла в батареях
• Коротких замыканий в батареях
• Механизмов старения под действием структурных, тепловых и химических взаимодействий