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Comsol软件电池与燃料电池模块简介 评分

Comsol软件电池与燃料电池模块简介,中文入门般,简单易学,适合新手自学
目录 简介 5 电池建模 8 电池建模物理场接口 lI 燃料电池建模 1 3 燃料电池建模物理场接口 15 根据空间维度和研究类型排列的物理场接口 17 锂离子电池教程 20 模型定义 20 结果与讨论 21 燃料电池阴极教程 37 模型定义 37 结果与讨论 38 4 简介 电池与燃料电池模块用于对电池和燃料电池的电极和电解质中的基本过程进 行建模和模拟,包括带电和中性粒子的传递、电流传导、流体流动、传热以 及多孔电极中的电化学反应等。 您可以使用本模块研究不同的电极结构、隔膜、正负极集流体、材料以及化 学反应的电池和燃料电池在不同工作条件下的性能。由于对涉及的过程和现 象进行了非常详细的描述,因此,您可以采用各种不同的假设获得对研究体 系的详细理解。可以直接在物理场接口中研究不同电催化剂、孔隙分布、电 解质成分及其他基本参数。 您还可以将电化学耦合到其他物理场,例如,传热、流体流、结构力学和化 学物质传递,以研究老化、热效应和应力-应变关系等现象。 下图列岀了电池与燃料电池模块的物理场接口,以及 COMSOL Multiphysics 中根据不同模块的许可证而变化的其他物理场接口,如传热分支接口。 飞AC/DC p2)声学 A“4化学物质传递 了稀物质传递tds) 浓物质传递tcs 客孔介质稀物质传递ds D反应流 多孔介质反应流 表面反应(s) 电化学 心一次电流分布(siec 心二次电流分布(siec 三次电流分布, Nernst-Planck(tdee 卧-边上电流分布, BEM (deber) E电分析ean 芜电极(els) Nernst-Planck- Poisson方程 电池接口 A单相流 层流(spf A國客孔介质和地下水流 回 Brinkman方程(br 达西定律d 由和多孔介质流动(p) 川传热 国体传热ht) ≈流体传热(h 多孔介质传热(ht 图l:三维建模时在模型向导中列出的电池与燃郑电池模块的物理场接口。 电化学(山)接口基于电流、电荷、化学物质及能量守恒。 元电解质电池(m)铅酸电池(_)及锂离子电池(冖)接口构成了电池建 模的理论基础 此外,一次电流分布(山)二次电流分布(山)及三次电流分布, Nernst- Planck(μ)接口是对任何电化学电池进行建模的通用物理场接口 化学物质传递()、流体流动()及传热(所)接口扩展了电池建模的功 能,详见电池建模。 次、二次及三次电流分布接口与化学物质传递、流体流动及传热物理场接 口结合起来,形成燃料电池建模的理论基础,详见燃料电池建模。 电池建模 电池与燃料电池模块提供一系列物理场接口用于对电池单元进行建模,通常 包含:本模块可以模拟可充电电池(二次电池)和不可充电电池(原电 池)。 a)正负极集流体 b)多孔或固体金属电极 c)阳极和阴极之间的电解质 电池与燃料电池模块可用于研究可充电电池中的充放电过程,如下所述 负极上的电流 电解质中的电流 正极上的电流 】阳极电荷转移反应 ①阴极电荷转移反应 OOO 负极 正极 oc. a Ecell E ile 负极 正极 阳极 羽极 图2:在放电过程中,电池多孔电极中的电流以及电荷传递电流的方向 在放电过程中,在阳极和阴极的电荷转移反应将化学能转化为电能,此过程 可能包含电化学反应、电流传导、电解质中离子的传递、中性粒子的传递、 流体流动中的质量传递,以及不可逆的热能释放等现象,比如欧姆损耗和由 于活化能引起的损耗等。 图2显示了放电过程的示意图。负极上电流从集流体进入电池,在电极和多 孔电极孔隙中的电解质(也称为孔隙电解质)界面处发生电荷转移反应。由 于阳极上发生的这种电荷转移反应,使得电极材料上被氧化,其中界面电流 用ioca表示,如图2所示。图中两条曲线的形状描述特定电极材料的电极动 力学,其中的反应可能还涉及来自孔隙电解质甚至电极的化学物质传递。 来自负极孔隙电解质中的电流通过离子传递的方式,从正极和负极之间的电 解质(通过隔膜或贮槽)传导至正极中的孔隙电解质。 在孔隙电解质和多孔电极表面之间的界面上,电荷转移反应将电解质电流转 变为正极上电子传导的电流。在该界面上,由于阴极上发生的电荷转移反 应,使得电极材料被还原,如图3所示的ioc,c。同样在这里,电荷转移反应 可能涉及电解质中以及电极上的化学物质传递。 负极 正极 c, a Ecell iloc. c E 阳极 川阴极 图3:放电过程中的电极极化。该图与图1的插图相同 电流从集电器中流走。由于欧姆损耗、活化损耗或其他不可逆过程中的热损 耗,电流的传导以及电化学电荷转移反应都会释放热量。 图3显示的电荷转移电流密度ioc是一个与电极电位E相关的函数,这些曲 线描述了放电过程中电极的极化 19 在放电过程中,负极发生阳极极化,正电流由图3中的箭头表示,负极电位 变大。正极发生阴极极化,负电流也由箭头表示,正极电位减小。 因此,图3显示了放电过程中两个电极之间的电位差Ec,与开路电池电压 Eo相比减小了。如果可以忽略欧姆损耗的电池电压,则Ecu的值表示在 定电流iε下的电池电压。这种情况在大多数电池中很少出现,因此在多数情 况下,电池的电压比图3显示的略小一些。 在放电过程中,正好与该过程相反,如图4所示,其中电能转变为化学能存 储在电池中 负极上的电流 ←电解质中的电流 正极上的电流 阴极电荷转移反应 【阳极电荷转移反应 il 负极 正极 iloc. a Ecell E 负极 正极 阴极 阳极 图4:在放电过程中,正极为极,而负极则为阴极。相比于开路电池电压,(给定 电流条件下的)电池电压会变大。注:此处的电流方向相反。 电流从正极进入。放电过程中,通过阳极电荷转移反应,产物被氧化。正极 发生阳极极化,产生正电流,电极电位升高。 10 然后,电流从孔隙电解质通过分隔器(或贮槽)中可区分电极的电解质,传 导至负极。 在负极上,发生阴极电荷转移反应,原先的放电反应的产物被还原。负极发 生阴极极化,电极电位下降。 负极 正极 oc. a Ecell iloc. c E 阴极 阳极 图5:充电过程中的电极极化 在充电过程中,与开路电池电压相比,电极间的电位差(以Ec表示),在 给定电流ioε的条件下会变大,见图5。忽略欧姆损耗时,Ecu的值等于电池 电压。然而在大多数情况下,欧姆损耗不能忽略,因此这部分影响应添加到 电池电压。 上图中描述的电池过程和现象都能借助于电池和燃料电池模块进行研究,其 中的物理场接口可用于研究电池性能的影响因素及热管理参数,例如 ·材料和化学组成的选取 ·正负极集流体的尺寸和结构 ·电极的尺寸和结构 ·组成多孔电极的粒子尺寸

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