Novità del Batteries & Fuel Cells Module

Agli utenti del Batteries Fuel Cells Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre una nuova condizione al contorno per il ciclo di carica-scarica, nuove condizioni al contorno per la modellazione di strati sottili, nonché nuove interfacce fisiche per modellare il flusso reagente in mezzi porosi e il trasporto di specie chimiche in fratture. Tutti gli aggiornamenti del Batteries & Fuel Cells Module sono descritti in dettaglio qui di seguito.

Condizione al contorno interna Ion-Exchange Membrane nell'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck

Il nuovo nodo di contorno Ion-Exchange Membrane specifica una condizione al contorno in cui il flusso di ioni è continuo, ma il potenziale dell'elettrolita è discontinuo e viene descritto mediante l'equilibrio di Donnan. Questa condizione viene usata di solito in celle elettrochimiche contenenti sia elettroliti liberi sia membrane a scambio ionico, ad esempio in problemi di dialisi. Una variazione del potenziale di Donnan viene calcolata automaticamente a partire dalle concentrazioni dello ione su ciascun lato dell'interfaccia di separazione del mezzo.

Grafico del potenziale elettrolitico di una batteria di vanadio a flusso redox Potenziale elettrolitico in una batteria di vanadio a flusso redox che mostra le variazioni di potenziale alle interfacce tra l'elettrolita libero e la membrana di scambio ionico.
Potenziale elettrolitico in una batteria di vanadio a flusso redox che mostra le variazioni di potenziale alle interfacce tra l'elettrolita libero e la membrana di scambio ionico.


Percorso dell'Application Library con il modello aggiornato Vanadium Redox Flow Battery:
Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Flow_Batteries/v_flow_battery

Nuovi modelli di conservazione della carica nell'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck

L'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck ora supporta quattro diversi modelli di conservazione della carica: elettroneutralità, basato sull'acqua con elettroneutralità, elettrolita di supporto e Poisson.

Funzionalità Thin Electrode Layer

La funzione Thin Electrode Layer può essere utilizzata per modellare uno strato sottile isolante o resistivo posto su un bordo interno nel dominio di un elettrodo. Costituisce un'alternativa alla definizione di un vero e proprio dominio che descriva lo strato effettivo nella geometria del modello e consente di ridurre sensibilmente i tempi necessari per generare la mesh e la soluzione, soprattutto nei modelli 3D. Uno strato sottile di elettrodo può essere utilizzato, ad esempio, per modellare un'impedenza di contatto tra due conduttori elettrici. Lo strato può essere impostato come isolante o resistivo.

Thin Electrolyte Layer

La funzione Thin Electrolyte Layer specifica uno strato sottile di elettrolita su un bordo interno tra due domini di elettrolita. Il nodo costituisce un'alternativa alla definizione di un vero e proprio dominio che descriva lo strato nella geometria del modello e consente di ridurre sensibilmente i tempi necessari per generare la mesh e la soluzione. La condizione può essere definita come membrana isolante, resistiva o di scambio ionico. Questa funzionalità sostituisce la condizione Thin Insulating Layer delle versioni precedenti.

Condizioni dei cicli di carica-scarica

È possibile utilizzare la condizione al contorno Charge Discharge Cycling per specificare i cicli di carica in simulazioni dipendenti dal tempo, in cui il passaggio tra carica e scarica dipende dalla tensione (o dalla corrente) risultante della cella. Questa funzione può essere usata, ad esempio, per simulare dei cicli a corrente costante/tensione costante nelle batterie. Il ciclo di carica-scarica è ora disponibile anche come condizione al contorno nel nodo Electrode Surface e come modalità operativa nell'interfaccia Single Particle Battery.

Grafico del tutorial Batteries & Fuel Cells Module

Corrente e potenziale durante un ciclo di carica-scarica (corrente costante-tensione costante) di una batteria agli ioni di litio. Dall'Application Library del Batteries & Fuel Cells Module.

Corrente e potenziale durante un ciclo di carica-scarica (corrente costante-tensione costante) di una batteria agli ioni di litio. Dall'Application Library del Batteries & Fuel Cells Module.

Condizione Circuit Terminal

È possibile utilizzare la funzionalità Circuit Terminal su un bordo per specificare un accoppiamento con il nodo External I vs. U nell'interfaccia Electrical Circuit dell'AC/DC Module. La condizione Circuit Terminal è ora disponibile anche come condizione al contorno nel nodo Electrode Surface e come modalità operativa nell'interfaccia Single Particle Battery. Questa consente di includere nelle simulazioni circuitali i modelli di batterie ad alta fedeltà.

Nuova interfaccia Reacting Flow in Porous Media

La modellazione di letti impaccati, reattori monolitici e altri reattori catalitici eterogenei è stata molto semplificata con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media. Questa interfaccia permette di definire i processi di diffusione, convezione, migrazione e reazione di specie chimiche per il flusso in mezzi porosi, senza dover impostare interfacce separate e poi accoppiarle. L'interfaccia multifisica combina automaticamente tutti gli accoppiamenti e le interfacce fisiche necessari per modellare la catalisi eterogenea con un flusso in mezzi porosi e con il trasporto di specie chimiche diluite o concentrate.

Poiché questa interfaccia multifisica completa altre interfacce simili per il flusso laminare e turbolento, è possibile scambiare o definire nuovi accoppiamenti con altri tipi di modelli di flusso senza dover ridefinire e impostare una nuova interfaccia per i fenomeni fisici coinvolti. La finestra impostazioni consente di selezionare il tipo di flusso da modellare e il trasporto di specie chimiche, senza perdere la cinetica di reazione o le proprietà del materiale definite. È dunque possibile confrontare diverse strutture di reattore o, all'interno del medesimo reattore, modellare flussi liberi e in mezzi porosi, anche quando i due regimi sono collegati (v. immagine).

Modello di microreattore poroso

Modello di microreattore poroso che illustra le isosuperfici di concentrazione di un reagente iniettato attraverso un ago verticale. Il reagente si mescola a un flusso libero contenente un secondo reagente che attraversa un catalizzatore monolitico modellato come mezzo poroso. È ora possibile definire completamente il modello con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media.

Modello di microreattore poroso che illustra le isosuperfici di concentrazione di un reagente iniettato attraverso un ago verticale. Il reagente si mescola a un flusso libero contenente un secondo reagente che attraversa un catalizzatore monolitico modellato come mezzo poroso. È ora possibile definire completamente il modello con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media.

Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza la nuova interfaccia Reacting Flow in Porous Media:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

Nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures

Le fratture hanno spessori molto piccoli rispetto alle quote di lunghezza e larghezza. Spesso è difficile modellare il trasporto di specie chimiche in questi sistemi dovendo generare la mesh dello spessore di una frattura, a causa dell'elevato rapporto di forma tra le quote dimensionali. La nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures tratta la frattura come una shell, generando solo la mesh di superficie delle quote trasversali.

L'interfaccia consente di definire lo spessore medio della frattura, nonché la porosità nei casi in cui la frattura sia considerata come una struttura porosa. Per il trasporto delle specie chimiche, l'interfaccia consente di definire i modelli di diffusività efficace per includere gli effetti legati alla porosità. Il trasporto convettivo può essere accoppiato a un'interfaccia Thin-Film Flow o includere equazioni personalizzate per definire il moto del fluido attraverso la frattura. Inoltre, si possono definire reazioni chimiche che si verificano sulle superfici, all'interno delle fratture o in un mezzo poroso che le includa.

Trasporto di specie diluite lungo una superficie di frattura leggermente curva Trasporto di specie diluite lungo la superficie di una frattura leggermente curva. La superficie curva è costituita da un percorso tortuoso dove sono modellati il moto del fluido e il trasporto di specie chimiche.
Trasporto di specie diluite lungo la superficie di una frattura leggermente curva. La superficie curva è costituita da un percorso tortuoso dove sono modellati il moto del fluido e il trasporto di specie chimiche.

Superfici di frattura nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media

Nei casi in cui il trasporto avvenga in un dominio poroso 3D con frattura, la nuova condizione al contorno Fracture consente di modellare il trasporto nelle fratture sottili senza doverle meshare come entità 3D. La condizione al contorno Fracture è inclusa nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media (v. immagine) e ha le stesse impostazioni dell'interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures (descritta sopra). Le equazioni del moto e il trasporto di specie chimiche si accoppiano in modo del tutto analogo tra un mezzo poroso 3D, equazioni del moto e trasporto di specie chimiche in frattura.

L'immagine seguente mostra il campo di concentrazione nel modello di un reattore poroso. Nel modello, una frattura distorta "perde" i reagenti in profondità nel catalizzatore poroso, da sinistra a destra, a una velocità maggiore rispetto al trasporto attraverso il mezzo poroso. Questo è dovuto al fatto che la superficie di frattura ha una porosità media molto più elevata rispetto al catalizzatore poroso circostante, il che risulta in una velocità di trasporto di massa superiore.

Modello di superficie di frattura Contorni di concentrazione attraverso il reattore 3D e concentrazione sulla superficie di frattura. La velocità di trasporto di massa superiore nella superficie di frattura conferisce una maggiore penetrazione (da destra a sinistra) delle specie che non hanno reagito nel letto del catalizzatore. La variazione di concentrazione da destra a sinistra è molto piccola nella superficie di frattura (da 0,63 a 0,62 mol/m3)
Contorni di concentrazione attraverso il reattore 3D e concentrazione sulla superficie di frattura. La velocità di trasporto di massa superiore nella superficie di frattura conferisce una maggiore penetrazione (da destra a sinistra) delle specie che non hanno reagito nel letto del catalizzatore. La variazione di concentrazione da destra a sinistra è molto piccola nella superficie di frattura (da 0,63 a 0,62 mol/m3)

Nuova interfaccia Electrophoretic Transport

La nuova interfaccia Electrophoretic Transport può essere utilizzata per studiare il trasporto di specie completamente dissociate, acidi e basi deboli, anfoliti e proteine in solventi acquosi. L'interfaccia fisica può essere utilizzata per modellare vari processi elettroforetici, come l'elettroforesi zonale, l'isotacoforesi, la focalizzazione isoelettrica e l'elettroforesi con contorno mobile, ma vale anche per qualsiasi sistema acquoso che coinvolga molteplici equilibri acido-base.

 
Elettroforesi zonale che separa un campione misto di due molecole in due picchi di concentrazione ben risolti.