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Points forts de COMSOL Multiphysics® 6.4

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Nouveautés du module Fuel Cell & Electrolyzer

Pour les utilisateurs du module Fuel Cell & Electrolyzer, la version 6.4 de COMSOL Multiphysics® introduit de nouvelles variables de pertes, la capacité de définir un flux de gaz en entrée proportionnel à la consommation d'espèces en réaction à l'électrode et plus de flexibilité dans la modélisation des espèces. Apprenez en plus sur ces nouveautés ci-dessous.

Alimentations stoechiomériques d'entrée

Le débit de mélange gazeux en entrée d'une pile à combustible ou d'un électrolyseur en fonctionnement est souvent proportionnel à l'intensité de la cellule, pour s'assurrer que les espèces en excès dans la cellule soient consommées. Afin de modéliser cette situation, une case à cocher Alimentation stoechiométrique a été ajoutée aux noeuds Entrée d'H2 et Entrée d'O2 des interfaces Pile à combustible et Electrolyse de l'eau. Cet ajout peut être visualisé dans les tutoriels suivants:

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Entrée d'O2 sélectionné, la fenêtre de réglages correspondante et une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dans la fenêtre graphique.
Définition d'une alimentation stoechiométrique du côté oxygène d'un modèle de pile à combustible.

O2 dans mélange de H2 et H2 dans mélange de O2

Afin d'analyser des modèles plus avancés de vieillissement, de réactions parasites et de scénarios de démarrage-arrêt, les interfaces Pile à combustible à hydrogène et Electrolyse de l'eau permettent désormais de sélectionner H2 en tant qu'espèce gazeuse active dans les réglages Mélange de O2 gazeux et O2 en tant qu'espèces gazeuse active dans les réglages Mélange de H2 gazeux. Cette nouveauté peut être visualisée dans le tutoriel Carbon Corrosion in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud sélectionné Pile à combustible à hydrogène, la fenêtre de réglages correspondante et un graphique 2D dans la fenêtre graphique.
O2 activé en tant qu'espèce gazeuse transportée du côté hydrogène d'une pile à combustible.

Variables d'évaluation des pertes de puissance

Il est désormais possible d'évaluer l'ampleur des pertes de puissance totales dans une pile à combustible ou un électrolyseur et de comparer les pertes entre les différents composants, tels que l'électrolyte, les électrodes et les conducteurs de courant, à l'aide des nouvelles variables de pertes de puissance introduites dans les interfaces Electrochimie.

Les pertes de puissance sont définies sur la base des pertes d'énergie libre de Gibbs de toutes les espèces réactives et transportées, ce qui permet de différencier les pertes ohmiques, les pertes de concentration et les pertes d'activation. Ces variables sont disponibles localement sur les domaines et les frontières, sous forme de valeurs intégrées sur l'ensemble de la cellule ou par noeud individuel de l'arborescence du modèle.

Cette fonctionnalité est illustrée dans les tutoriels Mass Transport and Electrochemical Reaction in a Fuel Cell Cathode et Current Density Distribution in a Solid Oxide Fuel Cell.

Un graphique 1D avec la densité de courant moyenne sur l'axe x et la surtension sur l'axe y.
Valeurs de surpotentiels moyennées sur la cellule dans le tutoriel Mass Transport and Electrochemical Reaction in a Fuel Cell Cathode. Les surpotentiels sont calculés en divisant les nouvelles variables de pertes par la densité de courant de la cellule.

Cycle de charge

Afin de simplifier la configuration des schémas de cyclage complexes, une nouvelle fonctionnalité Cycle de charge a été ajoutée à la plupart des interfaces Électrochimie. Cette fonctionnalité peut être utilisée pour définir des cycles de charge-décharge arbitraires, dans lesquels des étapes Tension, Puissance, Courant, Taux C et Repos peuvent être ajoutées dans n'importe quel ordre. Pour chaque étape du cycle de charge, un ou plusieurs critères de continuation ou d'interruption (commutation) dynamiques peuvent être définis, qui peuvent être basés sur des limites de temps, de tension ou de courant, ainsi que sur des conditions définies par l'utilisateur à l'aide d'expressions de variables arbitraires. Outre les options polyvalentes de définition des cycles de charge, la nouvelle fonctionnalité permet également de définir automatiquement les sondes de courant et de tension, ainsi que les conditions d'arrêt du solveur.

Avec la sous-fonctionnalité Sous-boucle, il est possible, par exemple, de combiner des tests de cycles de charge-décharge à long terme avec des tests de performance de référence. Notez que les sous-fonctionnalités Puissance et Sous-boucle ne sont disponibles que dans le module Battery Design et le module Fuel Cell & Electrolyzer.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec un noeud Courant sélectionné, la fenêtre de réglages correspondante et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.
Modélisation de batterie à l'aide de la nouvelle fonctionnalité Cycle de charge. Dans ce modèle, la séquence du cycle de charge est composée d'une étape de courant imposé (décharge), une étape de repos, une étape de courant imposé (charge) et une étape finale de repos.

Transport d'électrolyte acqueux

Pour la modélisation d'électrolytes aqueux contenant des acides faibles, des bases faibles, des ampholytes et des espèces complexes génériques, ainsi que pour des applications telles que la modélisation des mécanismes de corrosion, les modèles électrochimiques de systèmes biologiques et la modélisation de capteurs électrochimiques, une nouvelle interface Transport d'électrolyte aqueux calcule les champs de potentiel et de concentration d'espèces dans un électrolyte aqueux dilué. Le transport est défini par les équations de Nernst-Planck, qui intègrent la diffusion, la migration et la convection, ainsi que l'électroneutralité et la réaction d'équilibre d'auto-ionisation de l'eau (autoprotolyse). En raison de son traitement plus efficace des équation de réactions et de sa configuration plus simple, la nouvelle interface peut être préférable dans certains cas à l'interface plus générique Distribution de courant tertiaire, Nernst-Planck.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud sélectionné Réaction d'électrode poreuse, la fenêtre de réglages correspondante et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.
Définition de la stoechiométrie et des cinétiques de réaction à l'électrode dans la nouvelle interface Transport d'électrolytes aqueux.

Initialisation automatique des modèles de membranes d'échange ionique

Afin de garantir l'électroneutralité et la conformité avec les équilibres de Donnan, la fonctionnalité Membrane d'échange ionique de l'interface Distribution de courant tertiaire, Nernst-Planck comprend désormais une option Ajouter le décalage de Donnan aux valeurs initiales. Cette option modifie automatiquement les valeurs initiales de concentration et de potentiel spécifiées dans la fonctionnalité Valeurs initiales pour le noeud de domaine actif Membrane d'échange ionique, en supposant que les valeurs définies par l'utilisateur représentent les valeurs d'un électrolyte liquide en équilibre avec la membrane. Les valeurs initiales décalées sont ensuite utilisées comme valeurs initiales pour le solveur. L'activation de cette option simplifie généralement la configuration du modèle en éliminant la nécessité de balayer la charge spatiale fixe de la membrane jusqu'à une valeur non nulle souhaitée via une étape d'étude supplémentaire.

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Condition périodique

Une nouvelle fonctionnalité Condition périodique a été ajoutée aux interfaces Loi de Darcy et Equation de Richards pour imposer facilement la périodicité de l'écoulement entre deux frontières ou plus. En outre, il est possible de créer une différence de pression entre les frontières source et destination, soit en précisant directement le saut de pression, soit en imposant un flux massique. La condition de périodicité est généralement utilisée pour modéliser des volumes élémentaires représentatifs et pour calculer les propriétés effectives à utiliser dans des milieux poreux homogénéisés.

L'interface graphique de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Condition périodique sélectionné, la fenêtre de réglages correspondante et un modèle de milieu poreux dans la fenêtre graphique.
Utilisation de la nouvelle fonctionnalité Condition périodique pour estimer la perméabilité d'un milieu poreux constitué d'un réseau périodique de sphères.

Option saut de pression pour le Couplage de l'écoulement en milieu libre et poreux

Le Couplage de l'écoulement en milieux libre et poreux comporte une nouvelle option pour inclure un saut de pression à travers la frontière libre-poreux. Cela permet de modéliser, par exemple, la pression osmotique au niveau d'une membrane semi-perméable, soutenue par un matériau intercalaire poreux, ou un saut de pression dû à la pression capillaire dans le cas d'un écoulement multiphasique.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de modèles avec le noeud Couplage de l'écoulement en milieux libre et poreux mis en évidence, la fenêtre de réglages correspondante et une unité de dessalement dans la fenêtre graphique.
Utilisation de la nouvelle option Inclure le saut de pression à travers la frontière libre-poreux pour le Couplage de l'écoulement en milieux libre et poreux pour modéliser la pression osmotique au niveau d'une membrane semi-perméable fine dans une unité de dessalement.

Nouveaux tutoriels et modèles mis à jour

COMSOL Multiphysics® version 6.4 introduit de nouveaux tutoriels ainsi que des mises à jour de tutoriels existants au module Fuel Cell & Electrolyzer.

Ohmic and Activation Losses in a Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer Cell

Un graphique 1D avec la tension de la cellule sur l'axe x et la densité de courant sur l'axe y.
Graphique de polarisation d'une cellule d'électrolyseur d'eau à membrane polymère.
Nom de l'application:
pemwe_1d
Lien de téléchargement de l'application

Carbon Corrosion in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Un graphique 2D de trois piles à combustible PEM montrant la fraction molaire d'oxygène.
Fraction molaire d'oxygène en phase gazeuse du côté oxygène (en haut) et du côté hydrogène (en bas) dans les couches de diffusion de gaz (GDLs) pendant l'arrêt d'une pile à combustible à membrane polymère (PEM). En raison d'une purge insuffisante, il subsiste de l'hydrogène côté droit de la GDL d'hydrogène, ce qui entraîne une corrosion carbonique dans la zone supérieure gauche du côté oxygène.
Nom de l'application:
pemfc_carbon_corrosion
Lien de téléchargement de l'application

Liquid Alkaline Electrolyzer with Concentrated Electrolyte Transport

Un graphique 2D avec quatre modèles d'électrolyseurs alcalins, montrant la tension de la cellule.
Concentration de KOH dans un électrolyseur alcalin pour différentes tensions. L'électrolyte est introduit dans la cellule par le bas, résultant en une augmentation de la concentration en KOH vers la sortie côté hydrogène (en haut à gauche de la cellule).
Nom de l'application:
aec_concentrated_electrolyte
Lien de téléchargement de l'application