Oxygen Bubble Nucleation Modeling in a PEM Electrolyzer Electrode
Notice bibliographique
Résumé
The polymer electrolyte membrane (PEM) electrolyzer is a promising technology that reduces water into hydrogen and oxygen, from which the hydrogen is captured and stored for use in fuel cells. One of the challenging issues in PEM electrolyzers is flow inhibition of liquid water within the porous gas diffusion layer (GDL), due to the formation of oxygen bubbles (1). The bubbles block pores within the GDL, limiting the transport of liquid water to the catalyst layer, which in turn negatively affects the electrolyzer performance (2). Moreover, the presence of the oxygen bubbles can increase the solution resistance, inhibit electron transfer, and consequently increase ohmic losses, leading to efficiency reduction (1). Investigation of the oxygen bubbles behavior generated at the anode side of the PEM electrolyzer in operational pressure and temperature can give us a more accurate insight for predicting its influence on the performance. A number of promising studies on bubble nucleation and detachment have been done over the past few years. Various numerical techniques were introduced and improved to increase the accuracy of the bubble interface tracking such as volume-of-fluid (VOF) (3), moment-of-fluid (MOF) (4), and level-set (LS) methods (5). In this study, a numerical simulation has been performed to mimic the nucleation, growth and detachment of the oxygen bubbles in electrolyzers. Utilizing a state-of-the-art multiphase algorithm (6), a three-dimensional, two-phase computational algorithm was developed using the LS method to track the oxygen bubble interface expansion. To simulate the multiphase system more precisely, the thermodynamic free energy of the system has been taken into account by employing the Gibbs free energy function. The behavior of the oxygen bubble through the GDL as a function of the geometrical properties of the GDL was then studied and compared to the experimental results presented by Arbabi et al. (7). Acknowledgements The authors would like to gratefully acknowledge the financial support from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). References 1. H. Matsushima, T. Nishida, Y. Konishi, Y. Fukunaka, Y. Ito and K. Kuribayashi, Electrochimica Acta , 48 , 4119 (2003). 2. H. Ito, T. Maeda, A. Nakano, C. M. Hwang, M. Ishida, A. Kato and T. Yoshida, International Journal of Hydrogen Energy , 37 , 7418 (2012). 3. C. W. Hirt, J. L. Cook and T. D. Butler, Journal of Computational Physics , 5 , 103 (1970). 4. V. Dyadechko and M. Shashkov, Journal of Computational Physics , 227 , 5361 (2008). 5. S. Osher and J. A. Sethian, Journal of Computational Physics , 79 , 12 (1988). 6. H. Montazeri and C. A. Ward, Journal of Computational Physics , 257, Part A , 645 (2014). 7. F. Arbabi, A. Kalantarian, R. Abouatallah, R. Wang, J. Wallace and A. Bazylak, ECS Transactions , 58 , 907 (2013).
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,003 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».