1. 研究系統(tǒng)的電化學(xué)特性

 

提高研究的復(fù)雜程度：電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特性高度依賴于電極的微觀結(jié)構(gòu)、電催化材料和電解質(zhì)組成。極少有材料數(shù)據(jù)庫會列出動力學(xué)參數(shù)，所以電化學(xué)家們必須通過實(shí)驗(yàn)來確定其設(shè)備的特定參數(shù)。但是，在諸如電池和燃料電池之類封閉系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行復(fù)雜的受控實(shí)驗(yàn)是很困難的，特別是這些系統(tǒng)具有大量可以影響電化學(xué)過程的不同物理參數(shù)。為了獲得這些動力學(xué)參數(shù)的精確描述，通常需要將實(shí)驗(yàn)與同實(shí)驗(yàn)過程的模擬進(jìn)行比較，然后尋求這些參數(shù)的實(shí)際值。電池與燃料電池模塊提供了可模擬這些試驗(yàn)的物理場接口，例如循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜（EIS 或 AC 阻抗），以及用于導(dǎo)入數(shù)據(jù)、繪制圖形，乃至對其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的工具（需要優(yōu)化模塊）。

 

建立電化學(xué)動力學(xué)理論之后，您可以通過二次電流分布模型將它們納入您的電池和燃料電池研究。在這些模型中，電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制和活化過電勢會直接影響電化學(xué)反應(yīng)。此類模型可以更好地指示系統(tǒng)的工作電壓和電流，可用于確定電極和電催化劑材料，同時使您能夠在任何傳熱過程研究中考慮活化過電勢損耗。

 

此外，二次電流分布接口可以與化學(xué)物質(zhì)傳遞接口完全耦合；化學(xué)物質(zhì)傳遞接口描述物質(zhì)在氣孔中（例如，在氣體擴(kuò)散電極 GDE 中）的傳遞。在 GDE 的描述中，可以使用凝聚物模型或薄膜模型來描述溶解氣體在孔隙電解質(zhì)中的傳遞，以及它們到活化位點(diǎn)的傳遞。然后，還可以將孔隙中的氣體傳遞耦合到氣體通道中（例如燃料電池雙極板）的傳遞和流動。

 

均相反應(yīng)可以通過電池與燃料電池模塊中質(zhì)量傳遞接口的動力學(xué)表達(dá)式來描述，在其中可以定義任意的匯項(xiàng)與源項(xiàng)?；蛘撸部梢栽诨瘜W(xué)反應(yīng)工程模塊中的物理接口中定義它們，并將它們耦合到電池或燃料電池模型中。

 

汽車鋰離子電池組模型的溫度場，此處表征的是冷卻通道中流體的溫度等值面和溫度分布

 

2. 獲得全部過程的完整脈絡(luò)

 

但是，之前的模型假設(shè)整個電解質(zhì)中的濃度是恒定的，電流傳輸僅通過離子遷移形成，這顯然是不真實(shí)的。驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)的重要因素之一就是反應(yīng)位點(diǎn)附近的電解質(zhì)組成。要真正地研究電池和燃料電池的電化學(xué)特性，可能需要三次電流分布接口。它會考慮到濃度變化，非常好的描述電解質(zhì)中的質(zhì)量平衡和質(zhì)量傳遞。

 

此外，對于三次電流分布，電解質(zhì)和孔隙電解質(zhì)的組成可以與氣相中的材料平衡，和多孔電極與 GDE 的氣孔中的材料平衡完全耦合。這些還可以使用凝聚物和薄膜模型來描述，并包含通過孔隙電解質(zhì)的物質(zhì)傳遞。對于電池接口，還包含了特定的插層方程，用以描述電極顆粒中的傳遞現(xiàn)象。

 

分離板和電極中的材料可能也會在均相反應(yīng)作用下發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致性能退化。您可以利用化學(xué)物質(zhì)傳遞接口模擬這些材料的化學(xué)反應(yīng)，用于估計(jì)電池材料的老化對電池和燃料電池性能可能產(chǎn)生的影響。

 

電極和集流體中的電流傳導(dǎo)使用歐姆定律與電流守恒方程描述。它可以表示電子導(dǎo)體（例如集流體和饋流體、電極、多孔電極和 GDE）中的電阻損耗。集流體和饋流體還可以使用薄導(dǎo)電層（也稱為殼）模擬，從而不必沿這些薄層的厚度方向進(jìn)行網(wǎng)格剖分。利用專用的電極接口，通過電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，電子導(dǎo)體中的電流平衡可以與電解質(zhì)和孔隙電解質(zhì)中的電流平衡耦合。

 

全三維固體氧化物燃料電池 (SOFC) 的電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 研究

 

3. 電池和燃料電池模型與其他物理場耦合

 

在電池與燃料電池模塊中開發(fā)的模型還可以與 COMSOL 模塊套件中任何其他物理接口耦合。通過耦合，您可以根據(jù)組件的性能和退化過程，獲得多方面的關(guān)鍵信息：集流體與饋流體、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，電極、分離板和膜的優(yōu)化以及熱管理。

 

CFD 模塊或傳熱模塊的流體流動接口（支持湍流仿真），可以用于模擬鋰離子電池或高溫燃料電池（例如 MCFC 和 SOFC）的加熱和冷卻系統(tǒng)。它們可能還需要表面對表面輻射的模型，這可由傳熱模塊支持。電化學(xué)阻抗譜（EIS 或 AC 阻抗譜）、伏安法和電流中斷仿真和實(shí)驗(yàn)的參數(shù)估計(jì)可以通過與優(yōu)化模塊的組合來完成。模擬電極老化時的一個有趣耦合是考慮電極充放電過程中由于密度變化而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。這些應(yīng)力可以用于估計(jì)電極顆粒的微破裂程度，而顆粒微破裂會導(dǎo)致電導(dǎo)率損失，使電極的性能退化。

 

燃料電池堆中的流體流動和壓降

 

4. 仿真所有類型電化學(xué)過程的物理接口

 

電池與燃料電池模塊是唯一可以自由地模擬所有類型燃料電池和電池的仿真軟件，具有仿真所有類型電化學(xué)行為的強(qiáng)大功能。該模塊內(nèi)包含了多種物理接口，它們仿真電化學(xué)過程本身或相關(guān)影響過程。

 

化學(xué)物質(zhì)傳遞

電池和燃料電池中可以存在反應(yīng)物質(zhì)，之后轉(zhuǎn)換為各種不同的狀態(tài)和相態(tài)。這包括以氣體、液體、固體形式在濃溶液與稀溶液電解質(zhì)、混合物和固態(tài)溶液中存在的物質(zhì)。用于質(zhì)量傳遞的電池與燃料電池模塊接口可以模擬在一系列自由流道和多孔介質(zhì)內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)傳遞。這包括平面電極、多孔電極和 GDE 中的稀溶液或濃溶液和混合物等中的擴(kuò)散、對流和電遷移現(xiàn)象。

 

在所有物理接口中，電遷移都是一個可選項(xiàng)，在三次電流分布接口中通過 Nernst-Planck 方程來表示。在用于模擬鋰離子電池、鉛酸電池和二元電解質(zhì)電池的物理接口中，還可通過與電解質(zhì)相關(guān)的特定方式描述材料傳遞過程。此外，還提供了一個特定的反應(yīng)流接口，用于模擬與流動和化學(xué)反應(yīng)直接耦合的化學(xué)物質(zhì)傳遞過程。

 

電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)

與 COMSOL 模型套件中的所有模塊一樣，您可以在物理接口的編輯區(qū)域內(nèi)定義您需要的任何方程，并使它們依賴于模型系統(tǒng)內(nèi)的任意變量。編輯電化學(xué)電荷傳遞反應(yīng)式時，動力學(xué)表達(dá)式可以是以下變量的任意函數(shù)：化學(xué)物質(zhì)濃度，溫度，以及電極-電解質(zhì)界面處的局部電極電位和電解質(zhì)電位。

 

電池與燃料電池模塊提供了一些可幫助定義電極動力學(xué)的預(yù)定義物理接口。其中包括電解分析接口，這些接口對于模擬諸如 AC 阻抗之類的問題特別有幫助。在二次和三次電流分布接口中，提供了參數(shù)編輯區(qū)域用于描述平衡電勢、陽極與陰極電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)、交換電流密度、對稱因子和化學(xué)計(jì)量系數(shù)等電極動力學(xué)參數(shù)。此外，Butler-Volmer 方程和 Tafel 表達(dá)式同樣預(yù)定義在接口中。在三次電流分布接口中，電活性物質(zhì)的局部濃度通過濃度變量包含在反應(yīng)表達(dá)式中。多孔電極和 GDE 也在這些物理接口中得到處理，并可同時指定電極與電解質(zhì)的有效電導(dǎo)率和各向異性。

 

電解質(zhì)與電極中的電流平衡

電池和燃料電池的實(shí)際目的是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然（對于電池）。轉(zhuǎn)換中的損耗應(yīng)盡可能地小，老化也應(yīng)保持在最低限度。為了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，仿真模型通常必須考慮電解質(zhì)、薄膜和多孔電極中的離子傳遞，以及電極中的電子傳導(dǎo)，且都與電流守恒和電荷守恒相耦合。

 

一次和二次電流分布接口假定離子僅在電場作用下遷移，而忽略擴(kuò)散現(xiàn)象，不過它們?nèi)匀豢梢钥紤]多孔電極中濃度過電勢的近似解析表達(dá)式。二次電流密度接口還可以與氣體擴(kuò)散電極孔隙中的氣相傳遞過程全耦合計(jì)算（使用 Maxwell-Stefan 方程）。這將考慮孔隙電解質(zhì)中的溶質(zhì)在氣孔和活化位點(diǎn)之間的擴(kuò)散（凝聚物模型或薄膜模型）。

 

三次電流分布接口考慮在全部三種傳遞過程作用下的離子傳遞過程：擴(kuò)散、對流和電遷移（ Nernst-Planck 方程）。因此，所有這些因素均包含在描述電流密度的公式中，雖然由于電中性通常會忽略對流作用。此機(jī)理也可耦合到電極-電解質(zhì)界面上的電荷傳遞反應(yīng)中，為您提供穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和頻域（EIS）的電壓分析結(jié)果。

 

電極和集流體中的電流傳導(dǎo)過程使用歐姆定律與電流守恒方程描述，并考慮多孔電極和 GDE 中的導(dǎo)電過程。電池與燃料電池模塊還包含了一個薄層（殼）接口，它無需進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并可簡化薄集流體和饋流體中的電流傳導(dǎo)的模擬方法。電池仿真中還可以考慮電子導(dǎo)電粒子、纖維或長絲等因素，以仿真電池中短路和熱失控的影響。

 

電池接口

電池與燃料電池模塊中包含了一些用于模擬鋰離子電池的特定物理接口。這包括一些額外的項(xiàng)和公式，用于描述顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散（插層）過程和固體-電解質(zhì)界面 (SEI)。可以通過對電池正常運(yùn)行時及不同工作條件下的 SEI 生長進(jìn)行模擬來仿真老化過程。此外還提供了鉛酸電池接口，額外考慮了由于電池充放電而引起的電極孔隙率變化，以及由此引起的電解質(zhì)平均表觀速度。利用特定物理接口模擬二元電解質(zhì)電池，考慮了濃溶液電解質(zhì)和電中性約束，以及多孔電極顆粒中的粒子插層過程。該物理接口可用于模擬鎳金屬氫化物和鎳鎘電池。