Improve Energy Efficiencies
with the Fuel Cell & Electrolyzer Module




Fuel Cell and Electrolyzer Modeling for Design and Performance Analysis

Fuel Cell & Electrolyzer 모듈은 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어의 추가제품이며, 연료전지와 전해조(수전해) 시스템에 대해 깊이 있게 이해를 하고자 하거나, 또는 이를 통해 전기화학 셀을 설계하고 최적화 하기 위해 유용하게 사용할 수 있습니다. 해석할 수 있는 셀 타입으로 PEMFC, AFC, MCFC, SOFC의 연료전지와 관련 수전해 시스템이 있습니다. 하지만, 다른 종류의 연료전지와 수전해 시스템을 모델링하기 위해 사용할 수 있습니다.

COMSOL 제품군에 있는 다른 제품군과 함께 다상유동, 열전달, 열역학 기능 등을 포함하는 다중물리 특성이 소프트웨어에 내장되어 있습니다.



What You Can Model with the Fuel Cell & Electrolyzer Module

Hydrogen Fuel Cells

Fuel Cell & Electrolyzer 모듈은 전극, 전해질, 그리고 집전체를 고려한 가장 일반적인 수소연료전지 타입을 해석하기 위해 내장 식을 제공합니다. 모델링할 수 있는 연료전지 타입의 예시로서 몇 가지 말씀 드리면, PEMFC, AFC, PAFC, SOFC, MCFC 그리고 고온 PEMFC 등이 있습니다.

연료전지에서 전류와 전위, 화학종, 그리고 온도의 분포를 예측하기 위해 모델링과 시뮬레이션을 사용할 수 있습니다. 이를 통해 주어진 일련의 조건들 중에서 셀의 최적 운용 및 작동 조건 설계를 위해 사용할 수 있습니다. 셀의 성능을 저하시키거나 수명을 단축하는 결과를 초래할 수 있는 물을 제거하거나 불균일(nonuniform) 사용을 방지하는 것은 중요한 양상입니다. 또한 촉매 로딩(loading), 입자크기 분포, 그리고 바이모달(bimodal) 공극 분포와 같이 기체확산전극과 활성층의 미세한 측면을 연구할 수 있습니다.

과도 또는 정상상태의 0D, 1D, 2D, 그리고 3D 해석을 수행할 수 있습니다. 또한 임피던스 분광법 실험을 해석하기 위해 물리 기반 모델을 주파수 도메인에서 해석할 수 있습니다.


Water Electrolyzers

풍력 및 태양력 비용이 감소함에 따라 수전해를 사용한 전력 생산이 더욱 증가해왔습니다. 이것은 바람이 불거나 태양이 비추는 동안 저장되지 못한 전기가 과잉으로 존재하는 것을 의미하기도 합니다. 이런 과잉 전기를 배터리에 저장하는 것은 비용이 많이 들 수도 있습니다. 배터리에 저장하는 대신 물전기분해를 통해 이와 같이 남는 전기에서 수소를 생산하는데 수전해 시스템을 사용할 수 있습니다.

수전해 설계는 연료전지의 설계와 유사합니다. 수전해는 전류를 연료전지의 경우와 반대 방향으로 흘려줍니다. Fuel Cell & Electrolyzer 모듈은 기체확산전극, 활성층, 전해질 분리막, 그리고 채널이 있는 분리판에 대해 묘사할 수 있습니다. 모델은 단위 셀 또는 스택 레벨에서 정의될 수 있습니다.

연료전지와 마찬가지로 물리 기반 모델은 정상상태 또는 과도 작동에서 0D, 1D, 2D, 그리고 3D 해석을 수행할 수 있습니다.


Industrial Electrolyzers

Fuel Cell & Electrolyzer 모듈의 기능은 물전기분해에만 제한되지는 않습니다. 기체 생성과 층류 다상유동을 기술할 수 있는 기능을 포함해서 임의의 전기화학 셀 또는 수전해를 모델링할 수 있습니다. 염소산엽 전기분해와 염소알칼리 멤브레인 공정과 같은 시스템에서는 난류유동도 함께 다루기 위해 CFD 모듈과 연동할 수 있습니다.




Features and Functionality in the Fuel Cell & Electrolyzer Module

Fuel Cell & Electrolyzer 모듈은 연료전지와 수전해 시스템에서 발생하는 물질전달, 화학반응, 그리고 전기화학반응에 대한 세부적인 기술을 포함하고 있습니다. 이 모듈은 연료전지와 수전해 시스템의 주요 구성요소인 기체확산전극, 공극 전해질, 분리막 전해질, 그리고 분리판에 대한 모델식을 제공하고 있습니다. 이를 통해 정상상태 또는 과도 실험 작동에서 0D, 1D, 2D, 그리고 3D 해석을 수행할 수 있습니다.

Primary, Secondary, and Tertiary Current Distribution

차원 종속 (1D, 2D, 그리고 3D) 시뮬레이션에서 3가지 전류 분포 인터페이스는 각각 옴 손실(1차 전류 분포), 옴 및 활성 과전위 손실(2차 전류 분포), 그리고 옴, 활성 과전위, 그리고 물질전달 손실(3차 전류 분포)을 설명할 수 있습니다. 3차 전류분포는 지지 전해질, 희석 전해질, 또는 농축 전해질을 사용해서 연료전지 및 수전해 시스템을 정의할 수 있습니다. 네른스트-플랑크 물질전달 식은 전기중성 조건과 프와송 식와 연동할 수 있습니다.

전극의 반응속도식은 타펠식, 버틀러-볼머식, 또는 임의의 과전압과 화학종의 농도의 함수를 사용해서 정의할 수 있습니다. 다중(반응들이 (임의의 개수의) 전극 표면에서 정의될 수 있습니다.

전류 분포 인터페이스는 다공성전극, 기체확산전극, 그리고 평판 전극과 함께 사용될 수 있습니다.


Gas Diffusion Electrodes

Fuel Cell & Electrolyzer 모듈에서 기체확산전극(GDE)을 매우 손쉽게 모델링할 수 있습니다. 기상과 공극 전해질에서 물질전달식이 추가된 경계조건을 기반으로 한 사용자 인터페이스에서 자동으로 정의됩니다. 모듈은 수소 전극과 산소 전극을 정의하기 위해 개별적인 도메인 기능을 포함하고 있습니다. 주된 전극 반응식은 내장되어 있지만, 사용자가 반응속도식을 변경하거나, 부반응식을 직접 추가해서 적용할 수 있습니다.

기체 채널에서의 물질이동은 기상에서의 종의 이동과 자동적으로 연동됩니다. 자유 유동과 다공성 매질에서의 유동을 연동하기 위해 브링크만(Brinkmann) 식을 사용해서 기체 채널과 다공성 구조에서의 유동을 정의합습니다.

또한, 전하수지가 분리막 전해질과 공극 전해질(활성층 또는 기체확산전극의 전해질)에서 정의되어 있고, 전기화학반응과 패러데이 법칙을 통해 기상에서 물질전달식에 자동적으로 연동되어 있습니다.


Multiphase and Single-Phase Flow in Free and Porous Media

저온 연료전지와 수전해 특유의 현상들 중 하나는 액체와 기체상태의 물(스팀)이 공존해서 이동한다는 점입니다. 연료전지에서 전극의 물이 플러딩(flooding)되는 것을 피하기 위해 물을 셀 바깥으로 배출하기 위한 유동이 필요합니다. 비슷하게 수전해에서도 생성된 기체의 부적절한 이동은 셀의 부분들을 비활성화할 수도 있습니다. 연료전지와 수전해의 경우에 다공성 전극과 오픈 채널에서 이상(two-phase) 유동을 모델링하는 것이 중요합니다.

Fuel Cell & Electrolyzer 모듈은 분산 다상 유동을 모델링 하기 위해 mixture, bubbly flow, Euler–Euler models 그리고 phase transport in porous media 인터페이스를 포함하고 있습니다. 다공성 매질(전극)과 오픈 자유 매질(채널)에서 다상유동을 모델링하는 기능을 제공하고 있습니다. 다상유동 모델에 대해 더 많은 정보는 CFD 모듈 페이지를 참고하시기 바랍니다.


Built-In Thermodynamics

수소와 산소전극에서 기체 혼합물의 함유량은 서로 다른 공정과 작동조건에 따라 달라질 수 있습니다. Fuel Cell & Electrolyzer 모듈은 수소 혼합물과 산소 혼합물에 대한 내장된 열역학 물성치 데이터베이스를 포함하고 있습니다. 수소를 생산하는 개질반응에서 수소 외에 생성될 수 있는 부산물을 모델링에 고려하기 위해 질소, 수증기, 이산화탄소, 그리고 일산화탄소와 같은 추가 종들이 수소 혼합물에 포함될 수 있습니다. 동일한 추가 종들이 산소 혼합물에서도 제공될 수 있습니다. 기체 조성이 선택되고 기준 분압(reference partial pressures)이 정의되면 수소와 산소 전극 반응을 위한 평형전극전위와 그에 따라 셀의 평형전위가 계산될 수 있습니다.


Heat Transfer

Fuel Cell & Electrolyzer 모듈을 사용하면 에너지 수지에 대한 정의가 내장되어 있습니다. 전기화학 반응에서 유래한 발열과 냉각, 이온과 화학종의 이동, 그리고 전류 전도를 열전달 해석에서 자동적으로 추가할 수 있습니다. 또한, 수소-산소 셀의 열관리 시뮬레이션에 필요한 입력 데이터를 열역학 데이터베이스를 통해 손쉽게 얻을 수도 있습니다.























PEMFC에서 채널과 기체확산전극에서의 산소 몰 분율.

PEMFC에서 채널과 기체확산전극에서의 산소 몰 분율.




SOEC에서 분리막 중간 평면에서의 전류 밀도 분포와 수소 흐름 유선. 유선의 색깔은 수소 분압을 나타냅니다. 수소 발생에 따른 농도 과전위가 증가하는 곳에서 전류 밀도가 감소합니다.

SOEC에서 분리막 중간 평면에서의 전류 밀도 분포와 수소 흐름 유선. 유선의 색깔은 수소 분압을 나타냅니다. 수소 발생에 따른 농도 과전위가 증가하는 곳에서 전류 밀도가 감소합니다.















평판역전극을 포함한 수전해에서 음극 표면의 전류분포를 보여주고 있습니다. 이 경우, 지지전해질을 가정하는 Nernst-Planck 식이 사용되었습니다. 반응종의 확산, 이동, 대류에 의한 전달이 고려됩니다.

평판역전극을 포함한 수전해에서 음극 표면의 전류분포를 보여주고 있습니다. 이 경우, 지지전해질을 가정하는 Nernst-Planck 식이 사용되었습니다. 반응종의 확산, 이동, 대류에 의한 전달이 고려됩니다.



SOFC에서 전해질의 전류밀도 분포는 기체 채널(위쪽 채널)의 산소 몰분율과 매우 밀접한 연관성을 보여주고 있습니다. 반면에 수소 전극은 농도 과전압에 상대적으로 적은 영향을 주고 있습니다 (아래쪽 채널). H2 Gas Diffusion Electrode Reaction 기능을 사용해서 전극반응에 대한 반응속도론(kinetics) 파라미터를 정의할 있습니다.

SOFC에서 전해질의 전류밀도 분포는 기체 채널(위쪽 채널)의 산소 몰분율과 매우 밀접한 연관성을 보여주고 있습니다. 반면에 수소 전극은 농도 과전압에 상대적으로 적은 영향을 주고 있습니다 (아래쪽 채널). H2 Gas Diffusion Electrode Reaction 기능을 사용해서 전극반응에 대한 반응속도론(kinetics) 파라미터를 정의할 있습니다.



Hydrogen Fuel Cell 인터페이스의 설정창에서 수소 혼합물과 산소 혼합물의 조성을 선택할 수 있습니다.

Hydrogen Fuel Cell 인터페이스의 설정창에서 수소 혼합물과 산소 혼합물의 조성을 선택할 수 있습니다.



자가호흡 PEMFC 열 수지는 다중물리 노드에 Electrochemical Heating을 추가해서 정의할 수 있습니다. 이 Multiphysics 인터페이스에서 Hydrogen Fuel Cell 인터페이스와 Heat Transfer 인터페이스가 자동적으로 연동되어, 전기화학으로 발생한 열원과 열방출을 정의할 수 있습니다.

자가호흡 PEMFC 열 수지는 다중물리 노드에 Electrochemical Heating을 추가해서 정의할 수 있습니다. 이 Multiphysics 인터페이스에서 Hydrogen Fuel Cell 인터페이스와 Heat Transfer 인터페이스가 자동적으로 연동되어, 전기화학으로 발생한 열원과 열방출을 정의할 수 있습니다.