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COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對電池與燃料電池模組的用戶引入了用於充放電循環的新邊界條件、用於薄層建模的新邊界條件,以及用於對多孔介質反應流和裂隙化學物種輸送建模的新物理場介面。請閱讀以下內容,進一步了解電池與燃料電池模組的所有更新。

 

三級電流分佈,Nernst-Planck介面中的離子交換膜內部邊界條件

新的離子交換膜邊界節點可以指定這樣一個邊界條件,其中的離子通量連續,但電解質電位不連續,且可以由Donnan平衡來描述。該邊界條件通常用於同時包含自由電解質和離子交換膜的電化學電池,例如透析問題。介面上的Donnan電位偏移根據界面每一側帶電離子的濃度自動計算。

An electrolyte potential plot for a vananadium redox flow battery.

顯示自由電解質與離子交換膜之間界面上電位偏移的釩氧化還原流電池中的電解質電位


如需更新的“釩氧化還原流電池”模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Flow_Batteries/v_flow_battery

 

三級電流分佈,Nernst-Planck介面中的新電荷守恆模型

三級電流分佈,Nernst-Planck 介面現在支援四種不同的電荷守恆模型:電中性、水基電中性、支持電解質,以及泊松。

 

薄電極層功能

薄電極層特徵可用於對電極域中內部邊界上的薄絕緣片或電阻片建模,用作在模型幾何中繪製實際層域的替代方法,大大減少了網格生成和求解時間,尤其是在三維模型中。例如,薄電極層可用於對兩個電子導體之間的接觸阻抗建模。薄電極層可以設為絕緣或阻抗。

 

薄電解質層

薄電解質層特徵可指定兩個電解質域之間內部邊界上的薄電解質層,用作在模型幾何中將實際層繪製為域的替代方法,以顯著減少網格生成和求解時間。該條件可以設為絕緣,阻抗或離子交換膜。該特征代替了之前版本中的薄絕緣層特徵。

 

充放電循環條件

您可以使用充放電循環邊界條件來指定暫態模擬中的負載循環,其中充電與放電之間的切換取決於所得的電池電壓(或電流)。例如,該特徵可用於電池模擬中的恆定電流/恆定電壓 (CCCV) 循環。充放電循環現在也可用作電極表面 節點中的邊界條件,還可用作單粒子電池介面中的工作模式。

電路終端條件

您可以使用邊界上的電路終端特徵來指定與AC/DC 模組電路介面中的外部 I vs. U節點的耦合。電路終端條件現在也可用作電極表面節點中的邊界條件,還可用作單粒子電池介面中的工作模式。這允許您在電路模擬中包含高保真電池模型。

新的多孔介質反應流介面

新增的多孔介質反應流多物理場介面,大大簡化了填充床反應器、整體式反應器以及其他多相催化反應器的建模。此介面中定義了多孔介質流的擴散、對流、遷移和化種物質反應,無需設置單獨的介面再將其耦合。此多物理場介面自動結合非均相催化的模擬與多孔介質流和稀釋學物種輸送(或濃縮化學物種輸送)所需的所有耦合和物理場介面。

 

由於此多物理場介面也包含了層流和紊流中的類似模擬,因此您可以切換或定義與其他各類流動模型的新耦合,而不必對相關的物理現象重新定義和設置新介面。在設定視窗中可以選擇要模擬的流動類型以及化學物種輸送,而不會丟失任何已定義的材料屬性或反應動力學。這意味著,您可以在一個反應器中比較自由介質和多孔介質中的不同反應器結構或模型流動,即使這兩種流態連續出現亦是如此(見圖)。

 

 

 

多孔介質稀釋物種輸送介面中的裂隙表面

在裂隙、多孔三維結構中進行傳遞的情況下,新的裂隙邊界條件支援模擬薄裂隙中的傳遞,而不必將其生成網格為三維實體。裂隙邊界條件包含在多孔介質稀釋物種輸送 介面中(見圖),且其設置與裂隙中的稀釋物種輸送 介面中的相同(詳見前面的描述)。流體流動和化學物種輸送在三維多孔介質結構以及裂隙中的流體流動和化學物種輸送之間無縫耦合。

 

 

下圖顯示了多孔反應器模型中的濃度場。此模型中,扭曲的裂隙將反應物從左到右“洩漏”到較遠的多孔催化劑中,其速度要比多孔介質傳遞的速度快。這是因為與周圍的多孔催化劑相比,裂隙表面的平均孔隙率要高得多,從而得到更快的質量傳遞速率。

 

 

 

新的電泳輸送介面

新的電泳輸送介面可用於研究水溶劑中弱酸、鹼和兩性電解質的傳遞。此物理場介面通常用於模擬各種電泳模式,如,區帶電泳、等速電泳、等電聚焦以及移動界面電泳,適用於有關多種酸-鹼平衡的任意水系統。

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將兩種蛋白質的混合樣本分離成兩個清晰的濃度峰值的區帶電泳