Simulate Battery and Fuel Cell Designs
with the Batteries & Fuel Cells Module



Batteries and Fuel Cells: Greater Energy Densities, Longer Lifetimes

배터리와 연료전지는 더 어려운 환경 속에서 더 큰 에너지 밀도 또는 전력 효율, 더 긴 수명을 갖추도록 요구되고 있습니다. 이러한 요구조건은 이런 사업 분야에서 더 많은 압력을 가해왔으며, 배터리와 연료 전지가 작동되는 동안 개발, 설계, 최적화, 품질 및 안정성 강화를 위해 모델링과 해석이 필요한 도구 중 하나로 빠르게 자리매김되고 있습니다. 연구될 수 있는 시스템들의 예로 납축전지, 리튬이온 배터리, 니켈수소 전지, SOFCs, DMFCs, 그리고 PEMFCs를 들 수 있습니다.

Batteries & Fuel Cells 모듈은 배터리와 연료전지의 전극 및 전해질에서 전기화학적 거동을 모델링 합니다. 이것은 다른 운전 조건, 설계 구조, 그리고 다른 노화 메커니즘 때문에 발생하는 약화에 대한 성능을 연구하게 합니다. 이 모듈을 추가하면 전하 및 중성 입자의 전달현상과 전류 전도, 유동 흐름, 열전달, 그리고 평판과 다공성 전극에서 전기화학반응의 성질 및 구동력(Driving force)과 같은 특성을 해석할 수 있습니다. 이러한 특성들의 이해를 통해 성능, 열관리, 그리고 안전을 고려한 형상 및 시스템의 전극, 분리기, 분리막, 전해질, 그리고 집전 장치와 연료 공급에 대해 설계하고 최적화할 수 있습니다.

Starting Simple

만약 새로운 디자인이나 응용분야에 사용해오던 배터리 또는 연료전지의 모델을 대략적으로 구성하기 시작할 때라면, 단순하게 시작하고, 점차 모델을 복잡하게 구성하는 것이 좋습니다. 즉, 1차 전류 분포 모델을 통해 장치 특성을 연구하는 것을 말합니다. 1차 전류 분포 모델은 옴의 법칙(Ohm’s law)를 사용하여 저항이 있는 전도체로 나타내어 전기화학 반응, 전해질, 그리고 다른 요소를 단순화 합니다. 1차 전류 분포 모델은 장치의 구조에 대해 많은 의견을 제공하며, 열팽창으로 인한 구조적 무결성과 장비의 열 관리에 대한 지표로 사용될 수 있습니다.

Batteries & Fuel Cells 모듈은 COMSOL Desktop® 그래픽 사용자 인터페이스 (Graphical User Interface, GUI) 안에서 다수의 물리 식에 대한 특정 인터페이스를 제공합니다. 물리 인터페이스로 제공된 Primary Current Distribution 인터페이스는 배터리와 연료 전지 설계에 있어서 모든 다른 요소에 대해 전극과 전해질의 전도도와 같은 물질 물성을 지정하여 적절한 항목을 제공합니다. 게다가, COMSOL Multiphysics의 Batteries & Fuel Cells 모듈 또는 다른 물리 기반의 모듈 안에서 제공하는 줄가열이나 열응력 분석과 같은 특성을 구현하기 위한 물리 인터페이스를 쉽게 연동할 수 있습니다.

Investigate the Electrochemical Characteristics of Your System

연구가 점점 복잡해질 때, 전기화학 반응의 반응 특성은 전극의 미세 형상, 전기 촉매 물질, 그리고 전해질의 성분에 달려 있습니다. 전기화학 반응 속도 변수에 대해 매우 적은 양의 데이터 베이스만 이용 가능해서, 전기화학자들은 자신의 장비에 대해 특화된 매개변수를 찾기 위해 계속 실험을 합니다. 하지만, 배터리나 연료 전지와 같은 닫힌 계에서 정밀하고 섬세한 실험을 하는 것은 어려우며, 특히 전기화학 공정에 영향을 줄 수 있는 물리 변수가 다양하기 때문에 더욱 어렵습니다. 반응속도 변수들을 정확하게 얻기 위해서, 같은 실험 조건의 모델에 대한 실험을 자주 비교할 필요가 있으며, 이러한 변수들에 대한 실제 값을 보정해야 합니다. Batteries & Fuel Cells 모듈은 순환전압전류법과 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 같은 실험들을 해석하고, 데이터를 불러오고, 도식할 수 있는 기능을 제공하며, 변수를 추정하는 기능(Optimization 모듈 필요)을 사용할 수 있는 인터페이스를 제공하고 있습니다.

일단 전기화학 반응을 정의했다면, 2차 전류 분포 모델을 통해 배터리와 연료전지의 연구에 이것들을 포함할 수 있습니다. 이러한 모델에서, 전기화학반응은 전하 전달 메커니즘과 활성 과전위에 의해 직접적으로 영향을 받습니다. 수행하는 어떤 열해석에서 활성 과전위의 손실을 포함하기에 이런 모델은 사용자 시스템의 운전 전압과 전류의 더 나은 지표를 제공하고 전극과 전기화학촉매 물질을 결정하는데 도움을 받을 수 있습니다.
또한 Secondary Current Distribution 인터페이스는 기체 공극이나 기체 확산 전극(GDEs) 와 같은 예처럼 종의 전달을 설명하기 위해 Chemical Species Transport 인터페이스와 완전히 연동할 수 있습니다. GDEs의 해석에 있어서, 공극 전해질 내부에 용해된 기체의 전달현상과 활성 영역에서 전달현상은 덩어리(agglomerate) 모델 또는 얇은 막 모델을 사용하여 고려될 수 있습니다. 또한 공극에서 기체 전달은 연료 전지 분리판과 같이 기체 채널에서 전달현상과 유동을 연동할 수 있습니다.

균일 반응은 임의의 손실 및 소스 항목을 정의할 수 있는 Batteries & Fuel Cells 모듈의 Mass Transfer 인터페이스의 반응 속도식을 사용하여 고려될 수 있습니다. 또 다른 방법으로는 Chemical Reaction Engineering 모듈과 배터리 또는 연료전지 모델을 연동하여 정의할 수 있습니다.

Receive a Full Picture of the Whole Process

하지만, 위에서 언급한 모델은 전해질 내의 농도가 일정하고, 전류 전달이 이온의 영동을 통해서만 발생한다는 가정이었으나, 이는 실제적으로 맞지 않습니다. 전기화학반응을 일으키는 중요한 요소 중 하나는 반응 영역 근처의 전해질 조성입니다. 배터리와 연료전지의 전기화학적 특성을 실제적으로 연구하기 위해서 3차 전류 분포 연구가 필요합니다. 이는 농도의 변화를 고려하고, 전해질에서 물질 전달 및 물질 수지를 잘 표현할 수 있습니다.

또한 3차 전류 분포에 대해 전해질이나 공극 전해질의 조성은 기상, 기체 공극, 공극 전극 그리고 GDEs 에서 물질 수지와 완전히 연동될 수 있습니다. 또한 이 수식은 덩어리 및 얇은 막 모델을 사용하여 공극 전해질을 통해 물질 전달을 포함할 수 있습니다. 배터리의 경우 특별한 삽입식이 포함되어 있으며, 이는 전극 입자의 전달현상을 구현할 수 있습니다.
분리기와 전극의 물질은 아마도 성능의 약화를 초래하는 균일 반응이 발생할 수 있습니다. Chemical Species Transport 인터페이스는 배터리 및 연료전지 성능에 대해 셀 물질의 노화에 영향을 추정하여 이러한 물질의 화학 반응을 모델링할 수 있습니다.

전극과 집전장치의 전류 전도는 전류 보존식을 결합한 옴의 법칙을 사용하여 나타낼 수 있습니다. 이는 집전장치, 공급장치, 전극, 공극 전극, 그리고 GDEs와 같은 경우 저항 손실을 고려합니다. 집전 장치와 공급 장치는 얇은 막의 두께에 격자를 구성하기 어렵기 때문에 쉘이라 불리기도 하는 얇은 전도막을 사용하여 해석할 수 있습니다. 전기 전도체에서 전류 수지식은 적합한 전극 인터페이스를 사용하여 전하 전달 반응을 통해 전해질과 공극 전해질에서 전류 수지식과 연동될 수 있습니다.

Integrate Battery and Fuel Cell Models with Other physics

Batteries and Fuel Cells모듈을 사용한 모델은 COMSOL 제품군에서 제공하는 다른 모듈의 물리 인터페이스와 연계될 수 있습니다. 이런 연동을 통해 노화로 인한 구성 요소의 약화와 성능에 대해 집전장치와 공급기의 설계과 작동, 냉각 시스템, 전극, 분리기, 그리고 분리막의 최적화, 그리고 열적 관리에 관한 결정적인 정보를 찾을 수 있습니다.

난류 유동의 해석을 지원하는 CFD 모듈 또는 Heat Transfer 모듈의 유체 흐름 인터페이스는 MCFC와 SOFC와 같은 고온 연료 전지 또는 리튬 배터리의 가열/냉각 시스템을 모델링 하는데 사용할 수 있습니다. 또한 Heat Transfer 모듈에서 지원하는 표면-표면 복사열전달에 대한 수식이 필요할 수 있습니다. 전기화학 임피던스 분광법(EIS 또는 AC 임피던스 분광법), 전압전류법, 그리고 전압 중단법 해석과 실험으로부터 이뤄지는 매개변수 추정은 Optimization 모듈을 사용하여 구현될 수 있습니다. 전극의 노화를 모델링하기 위한 연동과 관련된 재미난 사실은 전극에서 충방전동안 밀도 변화에 의해 유도된 구조 응력의 포함으로, 이런 응력은 전극의 성능을 약화시키는 전기 전도도의 손실을 유발하는 전극 입자의 미세 파손의 정도를 추정할 때 사용할 수 있습니다.

Physics Interfaces for Simulating all Varieties of Electrochemical Behavior

Batteries & Fuel Cells 모듈은 모든 전기화학 거동을 해석하기 위한 거의 모든 기능을 가지고 있으며, 모든 종류의 연료전지와 배터리를 자유롭게 모델링 하기 위해 사용할 수 있는 유일한 해석 소프트웨어입니다. 제품 전기화학 현상 및 그것에 영향을 주는 주변 현상들 모두 해석하기 위한 수많은 인터페이스가 포함되어 있습니다.

Chemical Species Transport

배터리와 연료 전지의 반응 물질은 존재할 수 있으며, 그 때 다른 상태나 상으로 전환될 수 있습니다. 이는 농축 및 희석된 전해질과 혼합물, 그리고 고체 상태 용액에서 기체, 액체, 그리고 고체로 존재하도록 할 수 있으며, 평판, 공극 전극, 그리고 GDEs에서 확산, 대류, 그리고 전기 영동을 포함합니다.

이온 영동은 Nernst-Planck 인터페이스에 의한 Tertiary Current Distribution가 고려되는 모든 물리 인터페이스에서 이용할 수 있는 항목입니다. 또한 물질 전달은 리튬 이온 배터리, 납축 전지, 그리고 이원전해질 전지를 모델링하는 물리 인터페이스를 나타내며, 특히 이 전지들의 전해질을 해석하는데 특화되어 있습니다. 특화된 Reacting Flow 인터페이스는 유동 및 화학 반응을 직접적으로 연동하여 화학 물질 전달을 모델링 하기 위해 사용가능 합니다.

Electrochemical Reaction Kinetics

COMSOL 제품군의 모든 모듈과 마찬가지로 물리 인터페이스에서 편집 창에 원하는 방정식을 정의하고, 모델링하는 시스템에서 어떤 변수에 종속되게 할 수 있습니다. 전기화학적으로 전하 전달 반응에 대해 적용할 때, 반응속도식은 화학종의 농도, 온도, 그리고 전극-전해질 경계면에서 전극과 전해질의 위치에 따른 전위에 대한 임의의 함수로 정의될 수 있습니다.

Batteries & Fuel Cells 모듈은 이러한 반응속도를 정의하는 과정을 돕는 내장된 물리 인터페이스를 제공합니다. 이 모듈은 Electroanalysis 인터페이스를 포함하며, 이 인터페이스는 AC 임피던스와 같은 분야를 모델링 하는데 특히 유용합니다. Secondary/Tertiary Current Distribution 인터페이스에서 입력창으로는 교환 전류 밀도, 대칭 요소, 양극 및 음극 전하 전달, 평형 전위 그리고 양론계수의 전극 반응속도 변수를 이용할 수 있습니다. 내장된 수식으로는 Butler-Volmer 와 Tafel 수식을 이용할 수 있습니다. Tertiary Current Distribution 인터페이스에서, 농도에 대한 변수를 사용하여 반응속도식에 전기 활성 물질의 부분적인 농도가 포함됩니다. 다공성 전극과 GDEs 또한 이러한 인터페이스에서 만들어 지며, 유효한 전해질과 전극의 전도도는 이방성 거동으로 정의될 수 있습니다.

Current Balances in the Electrolyte and Electrodes

배터리와 연료전지의 현실적인 목적은 화학에너지를 전기 에너지로 전환하고, 그 반대(이 경우 배터리에 해당)를 하는 것입니다. 이런 전환에서 손실은 가능한 최소화 해야 하며, 노화 또한 최소화 해야 합니다. 설계와 최적화를 사용하기 위해서 해석은 종종 전류와 전자의 보존과 함께 전해질, 분리막과 다공성 전극의 이온 전달 효과, 그리고 전극에서의 전자 전도의 영향을 포함해야 합니다.

Primary/Secondary Current Distribution 인터페이스는 공극 전극에서 농도 과전위에 대한 대략적인 이론 수식을 포함할 수 있지만, 확산을 무시하고 전기장의 영향을 통해서만 오직 이온이 이동하도록 가정합니다. 2차 전류 밀도 인터페이스는 또한 기체 확산 전극에서 공극에 Maxwell-Stefan 식을 사용하여 기체 전달을 완전히 연동할 수 있습니다. 덩어리 모델 또는 얇은 막 모델을 사용하여 기체 공극과 활성 영역 사이에 공극 전해질의 용해된 화학종의 확산을 포함합니다.

Tertiary Current Distribution 인터페이스는 Nernst-Planck 식을 통한 확산, 대류, 이온 영동의 물질 전달 과정의 영향을 통해 이온 전달을 고려합니다. 그러므로 비록 대류는 전기적 중립성에 의해 상쇄되지만, 이러한 모든 기여로 전류 밀도를 설명하는 수식을 포함합니다. 또한 수식은 전극과 전해질 표면에서 전하 전달 반응을 연동하며, 정상상태, 시간해석, 그리고 주파수 영역(EIS) 분석에 대해 셀 전류와 관련된 셀 전위를 결과로 제공합니다.

전극과 집전장치의 전류의 전도는 공극 전극과 GDEs에서 전극 전도를 포함한 전류 보존식을 결합한 옴의 법칙을 사용하여 설명합니다. 그것들에 메시 없이 얇은 막(쉘)을 사용하여 얇은 집전장치와 공급기에서 전류 전도의 모델링을 단순화한 인터페이스가 Batteries & Fuel Cells 모듈에 포함됩니다. 입자, 섬유질, 또는 필라멘트를 전지 내부에 포함시켜 전지의 단락 및 열 폭주의 효과를 해석할 수 있습니다.

Battery Interfaces

특정 물리 인터페이스는 리튬 이온 배터리를 모델링 하기 위해 Batteries & Fuel Cells 모듈에 포함됩니다. 이 인터페이스는 내부 입자 확산(삽입식)과 모델 변수로써 포함되고 두께를 갖는 고체-전해질 경계면(SEI)를 표현하는 추가 항목 및 수식을 포함합니다. 동작하는 중에 SEI 성장 및 다른 운전 조건은 노화를 해석하기 위해 모델링할 수 있습니다. 또한 배터리의 충방전 때문에 발생하는 공극률 변화와 공극률의 이온에 의해 발생하는 전해질의 평균 표면 속도를 추가적으로 고려하도록 Lead-Acid Battery 인터페이스를 제공하고 있습니다. 이원전해질배터리는 다공성 전극으로부터 입자에 화학물질의 삽입뿐만 아니라 시스템처럼 이온의 전달을 전기적 중성도에 대한 구속조건을 고려하도록 하는 특별한 인터페이스에서 최고의 모델링을 할 수 있게 합니다. 이러한 물리 인터페이스는 니켈-수소 전지와 니켈-카드뮴 전지를 해석하는데 유용합니다.

Fluid Flow

층류 및 다공성 매질 유동 흐름은 나비어-스톡스 식(Navier-Stokes equation), 다시 법칙(Darcy’s law) 그리고 브링크만 식(Brinkman equation)을 해석하는 물리 인터페이스로 Batteries & Fuel Cells 모듈에 고려됩니다. 사용자는 해석에서 CFD 모듈로부터 유체 흐름에 대한 인터페이스를 추가하여 난류 또는 이상 유체를 고려할 수 있습니다.

Heat Transfer

Batteries & Fuel Cells모듈은 이온 영동 때문에 대류, 전도, 열확산을 통한 열전달 모델링 물리 인터페이스를 제공합니다. 또한 활성화 손실의 영향을 포함하는 줄 가열에 대한 특정 인터페이스는 공극 매개체를 통해 열전달 모델링과 함께 이용할 수 있습니다. 이러한 종류의 매개체에서 발생하는 대류 열 분산이 동반된 고체와 액체 상에서 다른 전도도를 고려할 수 있습니다. 표면 –표면 복사열전달은 Heat Transfer 모듈에 물리 인터페이스로 모델에 연동하여 고온 시스템에서 고려할 수 있습니다.

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원통형 리튬-이온 전지의 공기 냉각에 따른 열 분포. 열 모델은 열원으로 작용하는 전기화학반응과 유동에 연동됩니다.

원통형 리튬-이온 전지의 공기 냉각에 따른 열 분포. 열 모델은 열원으로 작용하는 전기화학반응과 유동에 연동됩니다.




자동자 분야에서 리튬 배터리 팩의 온도 분포. 냉각 채널에서 유체 흐름에 대한 온도 분포와 온도 등고면을 보여줍니다

자동자 분야에서 리튬 배터리 팩의 온도 분포. 냉각 채널에서 유체 흐름에 대한 온도 분포와 온도 등고면을 보여줍니다




PEMFC의 기체 확산 전극과 채널에서 산소와 연료 농도 분포

PEMFC의 기체 확산 전극과 채널에서 산소와 연료 농도 분포




연료 셀 장치를 통한 유동 흐름과 압력 강하

연료 셀 장치를 통한 유동 흐름과 압력 강하




납축 전지에서 20C 방전 동안 전해질 농도

납축 전지에서 20C 방전 동안 전해질 농도




Lithium-ion Battery 인터페이스에서 Intercalating Material 기능은 음극 전극에 두 종류의 다른 삽입 물질을 설명하기 위해 사용됩니다. 음극 전극에서 두 삽입 물질의 혼합 비율에 따라 방전 중 배터리 성능이 해석됩니다.

Lithium-ion Battery 인터페이스에서 Intercalating Material 기능은 음극 전극에 두 종류의 다른 삽입 물질을 설명하기 위해 사용됩니다. 음극 전극에서 두 삽입 물질의 혼합 비율에 따라 방전 중 배터리 성능이 해석됩니다.




3차원 SOFC 의 전기화학 임피던스 분광법 (EIS) 해석. 두 교환전류밀도간의 차이가 증가함에 따라 곡선이 증가합니다.

3차원 SOFC 의 전기화학 임피던스 분광법 (EIS) 해석. 두 교환전류밀도간의 차이가 증가함에 따라 곡선이 증가합니다.


Product Features

• 자유 및 공극체에 대해 전해질과 공극 전해질 내에서 전류 수지에 대한 Primary, Secondary, Tertiary Current Distribution 인터페이스
• 전하 수지 식에 관하여 지지 전해질 또는 포아송 식에 대한 전기 중성도에 대한 수식
• 희석/농축 용액에서 Nernst-Planck 식
• 전해질에서 이동도와 확산도에 관련된Nernst-Einstein 식
• 생성과 소모로서 균일 및 전기화학 반응을 포함하는 기체의 전달현상에 대한 Maxwell-Stefan 식
• 전극에서 전류의 보존과 옴의 법칙
• 평형 전위 및 농도 과전위Nernst 식
• 전극 반응에 대한 물질과 전류 수지의 자동적 연동에 대한 양론계수 및 패러데이 법칙
• 활성 및 농도 과전위를 고려한 전극 반응속도
• 흡착 및 탈착을 포함한 전기 촉매 작용
• 내장된 반응속도인 Butler-Volmer 와 Tafel 식
• 운전 조건에 종속적인 계면 두께 변화를 고려한 고체 전해질 경계면(SEI)
• 전극 입자에서 화학종의 삽입
• 유효 매체에 브러지만(Bruggeman) 관계식을 사용하여 공극률과 굴곡 효과를 포함한 다공성 전극과 GDEs 에 대한 내장 수식
• 공극 전극과 GDEs 에서 공극 전해질에 전달현상 해석을 위한 덩어리 모델과 얇은 막 모델
• 전하 전달 반응을 연동한 모델 변수로써 공극율을 포함한 운전 조건에서 전극 물질의 해리로 인한 공극율 변화
• 이중층 캐퍼시턴스의 영향을 포함하여, 모든 형용된 시스템에서의 전기화학 임피던스 분광학(AC 임피던스) 해석
• 전류 단전 해석
• 전기화학 시스템을 적용한 해석 설정을 갖춘 정상상태 해석 및 시간해석
• 전극과 전해질에서 옴 손실로 인한 줄가열 및 활성 손실 때문에 발생한 열
• 층류 비등온 흐름을 포함하는 층류 및 다공성 매질에서 열전달
• 냉각채널과 연료전지 바이폴라 판과 같이 브링크만 식을 이용한 개방 채널과 접촉하고 있는 다공성 층간의 선정된 연동.
• 분리막 처럼 배터리 물질의 화학적 약화 때문에 발생하는 노화의 해석에 대한 화학 종 전달 및 반응

Application Areas

Design and operation studies of:

  • Alkaline FC
  • Direct Methanol FC
  • Molten Carbonate FC
  • Proton Exchange Membrane (PEM) FC
  • Solid Oxide FC
  • 연료전지 스택
  • 납축전지
  • 리튬 이온 배터리
  • 니켈-수소 전지
  • 베터리 팩
  • 집전장치 및 공급기
  • 다공성 전극
  • 기체 확산 전극 (GDEs)
  • 고체 전해질

Modeling and simulations of:

  • 열관리
  • 배터리 열폭주
  • 전지 단락
  • 구조, 열, 화학적 효과 때문에 노화 메커니즘