電気解析, 電気分解, 電気透析
COMSOL Multiphysics® のアドオンである電気化学モジュールは, 電気化学システムを設計, 理解, 最適化するためのモデリングおよびシミュレーションツールを提供します. サイクリックボルタンメトリ, 廃水処理, 海水の淡水化, 電極触媒などの電気化学応用の基礎研究に使用できます. 電気化学モジュールは, COMSOL® 製品の他のモジュールと組み合わせて, マルチフィジックス機能をさらに拡張できます.
電気化学モジュールが使用される主な分析タスクは, 一般的な電気分析, 電気分解, 電気透析, および生物電気化学分析です. 電池設計, 燃料電池と電解槽, 腐食, and 電着を含むプロジェクトの場合は, 特殊な機能を備えた他のアドオン製品を利用できます.
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電気化学モジュールは, (サイクリック) ボルタンメトリ, (クロノ) アンペアメトリ, 電位差測定, 電量測定, 電気化学インピーダンス分光法 (EIS) などの一般的な電気分析方法を記述することができます. これらの方法は, 静的な電解質溶液または強制的な流体の流れにさらされる電解質溶液におけるモデル化および解析に使用できます. 電気化学モジュールを最適化モジュールと併用することで, ユーザーは, 交換電流密度, 電荷移動係数, 活性比表面積, 拡散率, 反応機構などの特性を, 実験結果とシミュレーション結果を組み合わせて決定することができます. これらは, その後, 正確なモデリングと設計の最適化のために産業用途で使用できます.
塩素アルカリや塩素酸塩電解などの一般的な電気分解を説明するために, 電気化学モジュールには, 任意の電解質, メンブレイン, および任意の数のイオンや中性種を含む電気化学反応をモデル化する機能が含まれています.
このモジュールは, 海水から飲料水への脱塩などの電気透析や, 超純水の製造などの電気脱イオン化のモデリングにも使用できます. 同様の電気透析モデルを使用して, 食品業界における pH 制御やワイン, ジュース, その他の溶液からの酸の除去のプロセスを解析および設計できます.
電気化学モジュールは, イオンと中性種の化学種輸送, 流体の流れ, 熱伝達, および任意の反応速度論による電気化学反応を考慮します.
電気化学モジュールは, グルコース, 酸素, pH センサーなどの生化学センサーで発生する輸送および平衡反応を説明および理解するために, 生物電気化学の分野で広く使用されています.
このモジュールは, 動物の腫瘍治療に使用される技術である腫瘍の電気化学的治療など, 生化学システムにおける電気分解のモデル化にも使用できます. さらに, 電気化学モジュールは, 廃水や排水処理などのプロセスの分析に使用される, 微生物電気化学システムの研究によく使用されるツールです.
電気化学モジュールには, 電気化学システムをモデル化するためのさまざまな機能が含まれています.
COMSOL Multiphysics® と電気化学モジュールは, 電気化学プロセスをモデル化するための既製の使いやすいインターフェースをユーザーに提供します. 基本機能は, 1次, 2次, and および3次電流分布インターフェースによってカバーされています. 1次電流分布 インターフェースは, 電荷バランスとオームの法則を併用して, 電気化学反応による電位の損失が無視できるものであると仮定しながら, 電解質と電極の両方における電流の流れをモデル化します. 2次と3次電流分布 インターフェースには, Tafel と Butler–Volmerの動力学式が組み込まれた 電極反応 機能が含まれています. 3 つのインターフェースにはすべて, 電気化学反応速度論の一部として電位が含まれており, 3次電流分布 インターフェースにはさらに化学種の輸送も含まれています.
このモジュールには, 通常の化学反応だけでなく, 複数の化学種や電極反応を定義するのに役立つ 化学 インターフェースも含まれています. さらに, インターフェースは, 平衡ポテンシャルを含む混合物および熱力学特性を自動的に計算できます. 局所電流密度や平衡電位など, これらの機能によって定義される変数は, 電気化学, 化学種の輸送, 熱伝達, または流体の流れのインターフェースと組み合わせることができます.
COMSOL Multiphysics® ソフトウェアには, モデルでさまざまな解析を実行するために使用できる, 事前定義されたスタディタイプが多数用意されています. 事前定義スタディは, ユーザーがシミュレーションに含めることを決定したフィジックスインターフェースに応じて異なります. 電気化学モジュールには, サイクリックボルタンメトリーや電流遮断解析などの動的シミュレーションのスタディ タイプが含まれています. サイクリックボルタンメトリ スタディ タイプは, 電気分析インターフェースと組み合わせて過渡ボルタンメトリ実験を計算するために使用できます.
完全なフィジックスベースのモデリングを使用して電気化学インピーダンス分光法 (EIS) をモデル化することもできます. さらに, 特定のフィジックスまたはフィジックスの組み合わせに対して利用できる特殊なスタディが多数あり, そのすべてにモデル内のフィジックス定義に適合した方程式とソルバー設定が含まれています.
COMSOL Multiphysics®に含まれるアプリケーションビルダーを使用すると, ユーザーは既存のモデル上にユーザー インターフェースを構築できます. このツールを使用すると, 明確に定義された入力と出力を使用して, 非常に特殊な目的のためのアプリを作成できます. アプリは, 困難で反復的なタスクの自動化, レポートの作成と更新, 専門家以外にも使いやすいインターフェースの提供など, さまざまな目的で使用できます. さらに, アプリは組織内のモデルへのアクセスを増やし, 組織が競争力を得るのに役立ちます.
アプリケーション ライブラリには, サイクリックボルタンメトリの使用をデモンストレーションおよびシミュレートし, EIS, ナイキスト, ボード線図を理解するために使用できる既製のアプリも含まれています.
多くの反応システムや電極のすぐ近くでは, 電解質の濃度は一定ではありません. このような場合, 移動に加えて拡散と対流の影響を考慮する必要があります. 電解質中の化学種の輸送を記述するための 3次電流分布, ネルンストプランクインターフェースが組み込まれています. このインターフェースには, 拡散, 移動, 対流によって発生する物質輸送効果を記述する機能も含まれています.
電気化学モジュールには, 電解質中の希釈種の物質輸送をモデル化するための方程式, 境界条件, 速度表現項を含む特殊な 電気分析インターフェースが含まれています. このインターフェースは, 電気活性種の濃度を解決する拡散対流方程式を使用することでこれを可能にします.
このインターフェースは, 不活性な支持電解質を大量に含む電解質溶液に適用できます. オーム損失は無視できると考えられます. フィジックスユーザーインターフェースには, サイクリックボルタンメトリの問題やさまざまな電気分析技術をモデル化するための特殊な機能が含まれています.
専用の電気泳動輸送 インターフェースを使用して, 水ベースのシステムで電位勾配の影響を受ける任意の数の種の電気泳動輸送を求解します. このインターフェースは, 水系における複数の種の拡散, 移動, 対流輸送を結合して, 複数の弱酸塩基平衡, 緩衝液, pH 依存性の解離, 有効移動度などをモデル化します. さらに, ゾーン電気泳動, 等速電気泳動, 等電点電気泳動, 移動境界電気泳動など, さまざまな形式の電気泳動モードをシミュレートできます.
COMSOL® ソフトウェアを使用すると, 異なるモジュールのフィジックスインターフェース間の連成が可能になります. COMSOL Multiphysics®, の機能を使用すると, 電気化学モジュールのインターフェースを流体流れインターフェースとシームレスに連成して, 電気浸透流や流体力学などの現象をシミュレートできます. また, 伝熱インターフェースと組み合わせて, 活性化損失, ジュール加熱, その他の電気化学現象などの熱源をシミュレートすることもできます.
どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.
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