Two Phase Flow Modeling and Characterization of Oxygen Bubbles in PEM Water Electrolysis Cells
Notice bibliographique
Résumé
The formation, growth, and stability of oxygen bubbles inside the porous transport layer (PTL) pores of a polymer electrolyte membrane water electrolysis (PEMWE) cell have been modeled. In a PEMWE cell, O2 bubbles form and grow inside the anode catalyst layer (ACL) and PTL pores. The most critical impact of the O2 bubbles on the overall performance is the screening of the ACL surface. Semi-empirical relations for the current density-surface coverage for gas evolving electrodes have previously been developed [1] and were used for our PEMWE modeling [2]. This screening effect has been evaluated as an overpotential term, and the results were used to predict the effects of the catalyst and PTL properties on the electrolysis cell performance. The fluctuations in the cell current density were used to identify different types of bubbles and their detachment frequency from the anode electrode. In this work, the anode catalyst surface has been described as a smooth, planar and horizontal plane. The PTL pores are described as identical straight hydrophilic cylinders with 1-mm height. Such a structure resembles tunable PTL structures such as those synthesized by Kang et al. [3]. Stable O2 bubble nuclei form mainly at the intersection of the anode catalyst layer and the PTL pore wall [3,4]. Our modeling results show the effects of three different types of bubbles in a PEMWE cell: i) nucleation-driven, ii) drag-driven, and iii) buoyancy-driven bubbles. Figure 1 shows the relative lifetime and overpotential effects of the O2 bubbles in a PEMWE with a PTL consisting of 11 μm dia. pores operated at a fixed temperature of 80°C and a balanced pressure of 1 bar [5]. Comparing the current density fluctuations in chronoamperometry experiments with the bubble detachment frequencies obtained through modeling provides a distribution of different types of bubbles in the electrolysis cell. These frequencies vary according to the PTL structure and the PEMWE cell operating conditions. Understanding of bubble growth and detachment mechanisms are of significant importance for reduction of mass transport-related losses and enhancement of PEMWE performance. References: H. Vogt and K. Stephan, Electrochim. Acta, 155, 348–356 (2015). E. Tabu Ojong et al., Int. J. Hydrogen Energy, 42 , 25831-25847 (2017). Z. Kang et al., Energy Environ. Sci., 10, 166-175 (2017). O. F. Selamet et al., Int. J. Hydrogen Energy, 38, 5823–5835 (2013). A. Nouri-Khorasani, E. Tabu Ojong, T. Smolinka, and D. P. Wilkinson, Int. J. Hydrogen Energy, 42, 28665–28680 (2017). Figure 1
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
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 source (Gemma direct ou Codex distillé), 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 ».