COMSOL Multiphysics® 5.3

Release Highlights

Batteries & Fuel Cells Module Updates

Batteries & Fuel Cells 모듈 사용자들을 위해, COMSOL Multiphysics® 5.3 버전에서는 새로운 충-방전 순환 경계조건과 얇은 막 모델링을 위한 경계조건뿐만 아니라 틈에서 화학 종 물질전달과 다공성 매질에서 반응 유체 모델링을 위한 새로운 물리 인터페이스를 제공합니다. Batteries & Fuel Cells 모듈 업데이트 내역에 내한 자세한 정보는 아래를 보시길 바랍니다.

Ion-Exchange Membrane Internal Boundary Condition in the Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck Interface


새로운 Ion-Exchange Membrane 경계 항목은 이온의 플럭스는 연속적이나 전해질 전위는 불연속으로 도난(Donnan) 평형에 의해 정의되는 경계조건으로 사용됩니다. 이 조건은 일반적으로 투석 문제와 같은 자유 전해질과 이온 교환 분리막을 모두 포함하는 전기화학 전극에서 사용됩니다. 경계면에서 도난(Donnan) 전위 이동은 경계의 각 측면에서 전하 이동 이온의 농도로부터 자동적으로 계산됩니다.

자유 전해질과 이온 교환 분리막 사이에 경계면에서 전위 이동을 보여주는 바나듐 산화-환원 흐름 전지에서 전해질 전위.

자유 전해질과 이온 교환 분리막 사이에 경계면에서 전위 이동을 보여주는 바나듐 산화-환원 흐름 전지에서 전해질 전위.


바나듐 산화-환원 흐름 전지 모델에 대한 Application Library 경로

Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Flow_Batteries/v_flow_battery

New Charge Conservation Models in the Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck Interface

Tertiary current distribution, Nernst-Planck 인터페이스는 이제 4가지 다른 전하 보존 모델을 지원합니다: 전기적 중성(Electroneutrality), 물 기반의 전기적 중성(Water-based with electroneutrality), 지원 전해질(Supporting electrolyte), 포아송(Poisson) 4 가지 입니다.


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Thin Electrode Layer Functionality

Thin Electrode Layer 기능은 전극 영역 내부 경계에 위치한 얇은 절연 또는 저항성 시트를 모델링하기 위해 사용할 수 있습니다. 이 기능은 모델 형상에서 실제 레이어(layer) 영역을 그리는 대신 사용될 수 있는 기능으로, 3차원 모델에서 상당히 메시를 줄이고 해석시간을 단축할 수 있습니다. 얇은 전극 층은 두 전자 전도체 사이에 접촉 임피던스를 모델링 하기 위해 사용될 수 있습니다. 이 층은 절연 또는 저항성으로 설정될 수 있을 것입니다.


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Thin Electrolyte Layer


Thin Electrolyte Layer 기능은 두 전해질 영역 사이에 내부 경계에 얇은 전해질 층을 정의합니다. 이 항목은 상당하게 메시를 줄이고 해석시간을 단축하기 위해 모델 형상에 영역으로 실제 층을 그리는 것에 대안으로 사용될 수 있습니다. 이 조건은 절연, 저항성, 또는 이온 교환 분리막에 설정할 수 있습니다. 이 기능은 이전버전에서 Thin Insulating Layer 기능을 대체합니다.

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Charge-Discharge Cycling Conditions


시간해석에서 결과로 나온 전극 전위(또는 전류)에 의한 충전과 방전 사이의 전환에 순환을 정의하기 위해 Charge Discharge Cycling 경계조건을 사용할 수 있습니다. 이 기능은 배터리 해석에서 일정한 전류/일정한 전압 순환을 위해 사용됩니다. 충-방전 순환은 또한 전극 표면 항목에서 경계 조건과 Single Particle Battery 인터페이스에서 운전 모드로 이용할 수 있습니다.

Batteries & Fuel Cells 모듈 Application Library 에서 리튬 전지의 충-방전(일정한 전류-일정한 전압) 순환 동안 전류와 전위.

Batteries & Fuel Cells 모듈 Application Library 에서 리튬 전지의 충-방전(일정한 전류-일정한 전압) 순환 동안 전류와 전위.



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Circuit Terminal Condition

경계면에서 AC/DC 모듈로부터 Electrical Circuit 인터페이스에 External I Vs. U 항목 연동을 정의하기 위한 Circuit Terminal 기능을 이용할 수 있습니다. Circuit Terminal 조건은 또한 Electrode surface 항목의 경계조건과 Single Particle Battery 인터페이스에서 운전 항목으로 이용할 수 있습니다. 이는 회로 해석에서 높은 충실도 전지 모델을 포함하는 것을 제공합니다.

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New Reacting Flow in Porous Media Interface

충전층 반응기, 관형 반응기, 그리고 다른 촉매 불균일 반응기 모델링은 새로운 Reacting Flow in Porous Media 다중물리 인터페이스로 상당히 간단하게 됩니다. 이 기능은 별도의 인터페이스를 설정하거나 이들을 연동하지 않고도 다공성 매질 유동에 대한 화학종들의 확산, 대류, 전기영동, 그리고 반응을 정의합니다. 이 다중물리 인터페이스는 다공성 매질 유동과 희석 또는 농축된 화학 종의 전달현상이 있는 불균일 촉매 모델링에서 요구되는 물리현상 인터페이스들과 그것들의 연동을 자동적으로 조합합니다.

이 다중물리 인터페이스가 층류와 난류에 대해 비슷한 것을 보완하기 때문에, 사용자는 고려되는 물리 현상에 대해 새로운 인터페이스를 재정의하고 설정하지 않고도 다른 종류의 유동 모델에 대한 새로운 연동을 전환하거나 정의할 수 있습니다. 이 설정 창은 정의된 물성 또는 화학 반응속도의 어떤 손실 없이 화학종의 물질전달뿐만 아니라 모델링 하기 위한 유동 종류 선택을 지원하고 있습니다. 이것은 사용자가 다른 반응기 구조를 비교하고, 하나의 반응기에서 자유 흐름 및 다공성 매질, 심지어 두 영역이 연결된 흐름을 모델링 할 수 있음을 의미합니다. (이미지를 확인하세요.)

반응기의 다공성 촉매층을 통과하도록 하는 두번째 반응물을 포함한 자유 흐름으로서 수직 관을 통해서 주입된 반응물의 농도 등고 표면을 보여주는 다공성 소형 반응기 모델. 이 모델은 새로운 Reacting Flow in Porous Media 다중물리 인터페이스로 완전히 정의 가능합니다.

반응기의 다공성 촉매층을 통과하도록 하는 두번째 반응물을 포함한 자유 흐름으로서 수직 관을 통해서 주입된 반응물의 농도 등고 표면을 보여주는 다공성 소형 반응기 모델. 이 모델은 새로운 Reacting Flow in Porous Media 다중물리 인터페이스로 완전히 정의 가능합니다.


새로운 Reacting Flow in Porous Media 인터페이스에 대한 예제의 Application Library 경로 :

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

New Transport of Diluted Species in Fractures Interface

틈(fracture)은 길이나 넓이 치수에 비교했을 때 매우 작은 두께를 갖습니다. 크기 치수의 큰 차이로 인한 종횡비 때문에, 틈 표면의 두께에 메시를 구성하는 과정에서 이러한 틈에서 화학종의 전달현상을 모델링 하는 것은 종종 어려움이 있습니다. 새로운 Transport of Diluted Species in Fractures 인터페이스는 표면 메시로써 횡 방향 치수로 메시된 쉘(shell)로 틈을 처리합니다.

이 인터페이스는 다공성 구조물로 고려된 틈에서 공극률뿐만 아니라 평균 틈 두께를 정의할 수 있습니다. 화학종의 전달현상에 대해, 이 인터페이스는 공극률의 영향을 포함하기 위해 효과적인 확산 정의를 지원합니다. 대류 전달현상은 Thin-Film flow 인터페이스를 연동하거나 또는 틈을 통과하는 유동흐름을 정의한 식을 포함하여 가능합니다. 추가로, 틈, 틈의 표면, 또는 틈을 포함하는 다공성 매질 발생하는 화학반응을 정의할 수 있습니다.

얇은 틈 곡면에 따른 희석용액의 전달현상. 곡면은 유동과 화학종의 전달현상이 발생하는 표면을 통한 각인된 비틀린 경로로 구성됩니다.

얇은 틈 곡면에 따른 희석용액의 전달현상. 곡면은 유동과 화학종의 전달현상이 발생하는 표면을 통한 각인된 비틀린 경로로 구성됩니다.

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Fracture Surfaces in the Transport of Diluted Species in Porous Media Interface

전달현상이 틈이 있는 다공성 3차원 구조물에서 발생하는 경우, 새로운 Fracture 경계 조건은 사용자가 3D 구조체로써 메시를 하지 않고 얇은 틈에서 전달현상을 모델링하도록 지원합니다. Fracture 경계 조건은 Transport of Diluted Species in Porous Media 인터페이스에 포함되며 (그림을 확인하세요.), Transport of Diluted Species in Fractures 인터페이스에서와 같은 설정을 갖습니다. (위에서 설명을 참고하세요.). 유동과 화학종 전달현상은 3차원 다공성 매질 구조물과 유동과 틈에서의 화학종 전달현상간에 완벽하게 연동됩니다.

아래 그림은 다공성 반응기 모델에서 농도 분포를 보여줍니다. 모델에서, 비틀어진 틈은 다공성 매질을 통한 전달현상보다 더 빠른속도에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 다공성 촉매로 더 깊게 반응물은 새어나갑니다. 이것은 더 높은 물질 전달 속도를 주는 주변 다공성 촉매와 비교하여 틈 표면이 더 높은 평균 공극률을 갖기 때문입니다.

틈 표면에서 표면 농도와 3차원 반응기를 통과하는 농도 등고선. 틈 표면에서 더 높은 물질 전달 속도는 촉매층으로 반응하지 않은 종의 더 큰 침투(오른쪽에서 왼쪽으로)를 제공합니다. 틈 표면에서 매우 적은 농도 변화(0.63부터 0.62 mol/m3까지)를 볼 수 있습니다.

틈 표면에서 표면 농도와 3차원 반응기를 통과하는 농도 등고선. 틈 표면에서 더 높은 물질 전달 속도는 촉매층으로 반응하지 않은 종의 더 큰 침투(오른쪽에서 왼쪽으로)를 제공합니다. 틈 표면에서 매우 적은 농도 변화(0.63부터 0.62 mol/m3까지)를 볼 수 있습니다.



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New Electrophoretic Transport Interface

새로운 Electrophoretic Transport 인터페이스는 수용액에서 약산, 약염기, 그리고 양쪽성 전해질의 전달현상을 해석하기 위해 사용할 수 있습니다. 이 물리 인터페이스는 일반적으로 구역 전기 영동, 등속 전기 영동, 등전점 전기 영동, 이동 경계 전기 영동과 같은 다양한 전기영동 모드를 해석하기 위해 사용되며, 다중 산-염기 평형을 포함하는 수용성 시스템에 적합합니다.

잘 분해된 농도 정점으로부터 두 단백질의 혼합 시료를 분리하는 영역 전기 영동