Logiciel de modélisation pour l'analyse des piles à combustible et des électrolyseurs

Un modèle de pile à combustible à membrane échangeuse de protons avec des canaux en serpentins.

Piles à combustible à hydrogène

Le module Fuel Cell & Electrolyzer contient des formulations prédéfinies pour les types les plus courants de piles à hydrogène et prend en compte les électrodes, l'électrolyte et les collecteurs de courant. Les types de piles à combustible qui peuvent être modélisés sont, par exemple, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et les PEMFC à haute température, les piles à combustible alcalines (AFC), les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC), les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC), pour n'en citer que quelques-uns.

La modélisation et la simulation peuvent être utilisées pour prédire la distribution du courant et du potentiel, des espèces chimiques et de la température dans une pile à combustible. De cette manière, la pile peut être conçue de manière à optimiser son utilisation et son fonctionnement dans des conditions données. Les aspects importants sont l'élimination de l'eau et la prévention d'une utilisation non uniforme de la pile, ce qui peut entraîner de mauvaises performances et une diminution de sa durée de vie. En outre, les aspects microscopiques des électrodes de diffusion gazeuse et des couches actives peuvent être étudiés, comme la charge du catalyseur, la distribution de la taille des particules et la distribution bimodale des pores.

Electrolyseurs d'eau

Les électrolyseurs peuvent être utilisés pour produire localement de l'hydrogène à partir d'électricité par électrolyse de l'eau. Cet hydrogène peut être stocké et reconverti en électricité à l'aide de piles à combustible, lorsque la demande et la capacité du réseau le permettent.

La conception d'un électrolyseur d'eau est similaire à celle d'une pile à hydrogène avec trois différences majeures: le courant circule dans le sens inverse de celui d'une pile à combustible, la cathode est l'électrode négative et l'anode l'électrode positive. Les modèles du module Fuel Cell & Electrolyzer comprennent la description des électrodes de diffusion de gaz, de la couche active, du séparateur électrolytique et des plaques bipolaires avec les canaux.

Un modèle d'électrolyseur à eau avec la fraction volumique du gaz visualisée grâce à un gradient.

Un modèle de séparateur d'électrolyte avec des lignes de courant circulant dans plusieurs canaux et un plan arc-en-ciel en dessous pour montrer la distribution de la densité de courant.

Electrolyseurs industriels

Les fonctionnalités du module Fuel Cell & Electrolyzer ne sont pas limitées aux électrolyseurs d'eau : toute cellule électrochimique ou électrolyseur peut être modélisé. Cette fonctionnalité inclut la possibilité de décrire l'évolution des gaz et l'écoulement laminaire multiphasique. Pour les systèmes tels que l'électrolyse du chlorate et le processus de membrane chlore-alcali, le module peut être combiné avec le Module CFD pour traiter également les écoulements turbulents.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Fuel Cell & Electrolyzer

Réaliser diverses analyses de piles à combustible et d'électrolyseurs avec le logiciel COMSOL^®.

Une vue rapprochée de l'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles et la fenêtre graphique pour un modèle 3D de PEMFC.

Interfaces utilisateur intégrées

COMSOL Multiphysics^® fournit aux utilisateurs des combinaisons d'interfaces utilisateur préconstruites qui définissent un ensemble d'équations ainsi que des réglages pour la génération de maillage, la gestion des solveurs et le traitement des résultats. Pour le module Fuel Cell & Electrolyzer, ces combinaisons d'interfaces incluent les piles à hydrogène et les électrolyseurs d'eau.

En sélectionnant l'une des interfaces Pile à combustible à hydrogène et Electrolyse de l'eau, les propriétés de transport et de réaction pour les électrodes de diffusion de l'oxygène et de l'hydrogène gazeux sont définies automatiquement. Il suffit de sélectionner les domaines pour les électrodes, l'électrolyte, le séparateur et les canaux de gaz. Les espèces chimiques et les couples de réactions additionnels peuvent être ajoutées aux électrodes de diffusion de l'oxygène et de l'hydrogène, comme la vapeur ou le dioxyde de carbone. Les équations du modèle permettent de résoudre les potentiels des électrodes (conduction électronique) et de la phase électrolytique (conduction ionique), ainsi que les fractions molaires des mélanges de gaz dans le système.

Transport d'électrolyte concentré

L'interface Transport d'électrolyte concentré peut être utilisée pour modéliser le transport dans les solutions électrolytiques contenant un nombre arbitraire d'espèces chargées et non chargées. Cette interface d'électrochimie est basée sur la théorie des solutions concentrées, dans laquelle les équations de transport sont définies en utilisant des coefficients binaires de Maxwell-Stefan en faisant l'hypothèse d'une électroneutralité locale. À la différence des équations de Nernst-Planck, la théorie des solutions concentrées ne s'appuie pas sur une hypothèse selon laquelle les espèces électrolytiques seraient diluées dans un solvant neutre de concentration constante. Les applications principales incluent les liquides ioniques, les sels fondus et les solutions à haute concentration avec des gradients significatifs de concentration des espèces porteuses de charges. Cette interface est particulièrement adaptée pour l'analyse du transport multicomposants dans des systèmes électrochimiques avancés.

Une vue rapprochée de l'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèle et la fenêtre Graphique pour un modèle de cathode de pile à combustible.

Écoulement multiphasique et monophasique dans les milieux libres et poreux

L'un des phénomènes spécifiques aux piles à combustible et aux électrolyseurs d'eau à basse température est le transport simultané d'eau liquide et gazeuse (vapeur). Dans les piles à combustible, l'écoulement doit également chasser l'eau de la cellule, afin d'éviter de noyer les électrodes. De même, dans l'électrolyse de l'eau, un transport inadéquat du gaz produit peut rendre certaines parties de la cellule inactives. Dans les deux cas, il est important de modéliser l'écoulement diphasique dans les électrodes poreuses et dans les canaux ouverts.

Le module Fuel Cell & Electrolyzer Module comprend les modèles de mélange, d'écoulement à bulles et Euler-Euler pour les écoulements multiphasiques dispersés, ainsi que le transport de phase dans les milieux poreux. Ces fonctionnalités permettent de modéliser l'écoulement multiphasique dans les milieux poreux (électrodes) ainsi que dans les milieux libres ouverts (canaux). Pour plus d'informations sur ces modèles d'écoulement multiphasique, consultez le Module CFD.

Une vue rapprochée de l'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles et la fenêtre graphique pour un tracé 1D de la distribution de courant primaire, secondaire et tertiaire.

Distribution de courant primaire, secondaire et tertiaire

Les simulations spatiales (1D, 2D et 3D) peuvent tenir compte des pertes ohmiques (primaires), des pertes ohmiques et d'activation (secondaires), ainsi que des pertes ohmiques, d'activation et de transport de masse (tertiaires). Pour les distributions de courants tertiaires, il est possible de définir des systèmes à électrolytes support, à électrolytes dilués et à électrolytes concentrés. Les équations de transport — les équations de Nernst–Planck —, peuvent être combinées avec la condition d'électroneutralité ou l'équation de Poisson.

La cinétique de l'électrode peut être définie à l'aide de l'équation de Tafel, de l'équation de Butler–Volmer, ou avec des fonctions arbitraires du surpotentiel et de la concentration des espèces chimiques. Des réactions multiples peuvent être définies sur une surface d'électrode (un nombre arbitraire).

Les interfaces de distribution de courant peuvent être utilisées en combinaison avec des électrodes poreuses, des électrodes à diffusion de gaz et des électrodes planes.

Une vue rapprochée de l'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de Modèles et la fenêtre graphique pour un modèle de cellule unitaire SOFC.

Electrodes de diffusion de gaz

La modélisation des électrodes à diffusion gazeuse (GDE) dans le module Fuel Cell & Electrolyzer est aisée. Les équations de transport dans la phase gazeuse et dans l'électrolyte des pores sont automatiquement définies dans l'interface utilisateur en fonction des conditions limites ajoutées. Le logiciel contient des caractéristiques de domaines séparées pour définir les électrodes d'hydrogène et d'oxygène. Les principales réactions de l'électrode sont prédéfinies, avec des options pour modifier la cinétique et pour ajouter des couples réactions et des réactions parasites.

Le transport des espèces en phase gazeuse est automatiquement couplé au transport dans les canaux de gaz. L'écoulement du fluide est défini pour le canal gazeux et pour la structure poreuse en utilisant les équations de Brinkman pour modéliser un écoulement en milieu libre et poreux entièrement couplé.

L'équilibre des charges dans l'électrolyte (séparateur) et l'électrolyte des pores (l'électrolyte dans la couche active ou dans la GDE) est également défini. Il est automatiquement couplé aux équations de transport dans la phase gazeuse à travers les réactions électrochimiques et la loi de Faraday.

Thermodynamique intégrée

Le contenu des mélanges gazeux dans les électrodes d'hydrogène et d'oxygène peut varier pour différents processus et différentes conditions de fonctionnement. Le module Fuel Cell & Electrolyzer Module contient une base de données intégrée des propriétés thermodynamiques des mélanges d'hydrogène et d'oxygène. Par exemple, l'azote, l'eau, le dioxyde de carbone, ou encore le monoxyde de carbone, peuvent être implémentées comme espèces supplémentaires afin de modéliser les sous-produits des réactions de reformage en plus de l'hydrogène. Ces mêmes espèces sont disponibles pour un mélange d'oxygène. Lorsque la composition est sélectionnée et que les pressions partielles de référence sont définies, le logiciel peut calculer le potentiel d'équilibre de l'électrode pour les réactions de l'électrode d'hydrogène et d'oxygène, et ainsi le potentiel d'équilibre de la cellule.

Module Fuel Cell & Electrolyzer

Piles à combustible à hydrogène

Electrolyseurs d'eau

Electrolyseurs industriels