Μοντελοποίηση Μικροβιακής Κυψελίδας Καυσίμου 
με χρήση Comsol Multiphysics®

Καμπερίδης, Θεόφιλος; Kamperidis, Theofilos

dc.contributor.author	Καμπερίδης, Θεόφιλος	el
dc.contributor.author	Kamperidis, Theofilos	en
dc.date.accessioned	2020-06-16T07:51:49Z
dc.date.available	2020-06-16T07:51:49Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50782
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18480
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	ΜΚΚ	el
dc.subject	Ηλεκτροχημεία	el
dc.subject	Κινητική	el
dc.subject	Απόβλητο	el
dc.subject	Modeling	en
dc.subject	MFC	el
dc.subject	Electrochemistry	el
dc.subject	Kinetics	el
dc.subject	Waste	el
dc.title	Μοντελοποίηση Μικροβιακής Κυψελίδας Καυσίμου με χρήση Comsol Multiphysics®	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-10-14
heal.abstract	Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η προσομοίωση της λειτουργίας μια μικροβιακής κυψελίδας καυσίμου (Μ.Κ.Κ.). Στη διάταξη αυτή πραγματοποιείται η οξείδωση ενός οργανικού υποστρώματος με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, σε αναερόβιες συνθήκες από μικροοργανισμούς,. Το μοντέλο για τη διεργασία αναπτύχθηκε με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Comsol Multiphysics® Version 5.2. Αρχικά, έγινε βιβλιογραφική ανασκόπηση για την εύρεση και κατανόηση των προσεγγίσεων στη μοντελοποίηση των συστημάτων Μ.Κ.Κ. Επιλέχθηκε η γλυκόζη σαν δότης ηλεκτρονίων και το οξυγόνο σα δέκτης, διαμορφώνοντας έτσι το ζεύγος των αντιδράσεων οξειδαναγωγής. Κατόπιν, δημιουργήθηκε δισδιάστατο μοντέλο και επιλέχθηκε να προσομοιωθεί η κατανάλωση του οργανικού υποστρώματος από τους μικροοργανισμούς σε συνδυασμό με την ανάπτυξη δυναμικού στην κυψελίδα. Για τη γεωμετρία θεωρήθηκε μια κάθετη τομή της διάταξης Μ.Κ.Κ. δυο θαλάμων. Στο ορθογώνιο χωρίο που προέκυψε επιλύθηκαν οι εξισώσεις διατήρησης μάζας και φορτίου. Το αριστερό άκρο επελέγη ως το ηλεκτρόδιο ανόδου πάνω στο οποίο αναπτύχθηκε το ηλεκτροχημικά ενεργό βιοφίλμ. Το δεξί άκρο επελέγη ως ηλεκτρόδιο καθόδου, στο οποίο έγινε η αναγωγή του οξυγόνου. Για συνοριακές συνθήκες χρησιμοποιήθηκε κινητική Monod σε συνδυασμό με την εξίσωση Butler – Volmer. Οι σταθερές των εξισώσεων που επιλύθηκαν προέκυψαν από ανάλυση παραμέτρων σε λειτουργία Μ.Κ.Κ. δυο θαλάμων στα πλαίσια προηγούμενης διδακτορικής διατριβής (Μ. Τρεμούλη 2013). Οι συνθήκες λειτουργίας επιλέχθηκαν παρόμοιες με τα πειράματα που έγινε η μελέτη των παραμέτρων. Η κατάστρωση του μοντέλου διατηρήθηκε απλή προκειμένου να μην αυξηθεί το υπολογιστικό κόστος. Τα αποτελέσματα περιλάμβαναν κατανομή συγκέντρωσης εντός του υπολογιστικού χωρίου και ανάπτυξη δυναμικού μεταξύ των δυο ηλεκτροδίων. Συγκρίθηκαν με αποτελέσματα πειραμάτων και η συγκεκριμένη προσέγγιση της σύνθετης από άποψη φαινομένων, λειτουργίας της Μ.Κ.Κ. θεωρήθηκε ικανοποιητική. Διερευνήθηκαν οι τιμές των παραμέτρων λειτουργίας του συστήματος όπως η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη και η τροφοδοτούμενη συγκέντρωση του οργανικού υποστρώματος για την μελέτη της απόκρισής του και την εξαγωγή συμπερασμάτων που δύναται να επηρεάσουν την πειραματική διάταξη. Επίσης, τροποποιήθηκε η απόσταση των ηλεκτροδίων, για να εξακριβωθεί η επίδρασή της, στις λύσεις του μοντέλου. Τέλος, προτάθηκαν τρόποι εμπλουτισμού και προσαρμογής του μοντέλου για την καλύτερη προσέγγιση των πολλαπλών φαινομένων που εξελίσσονται κατά τη λειτουργία της Μ.Κ.Κ.	el
heal.abstract	The purpose of the present work was to simulate the operation of a microbial fuel cell (M.F.C.). This device oxidizes an organic substrate while producing electricity, in anaerobic conditions by micro-organisms. The model was developed with the finite element software Comsol Multiphysics® Version 5.2. Initially, a literature review was performed to find and understand the approaches to modeling M.F.C. systems. Glucose was chosen as the electron donor and oxygen as the acceptor, thereby forming the pair of redox reactions. Subsequently, a two-dimensional model was created to simulate the consumption of the organic substrate by the micro-organisms in combination with the development of potential in the cell. A vertical cross-section of a two chamber M.F.C. unit was the spatial domain of choice for solving the mass and charge conservation equations. The left end was considered as the anode electrode on which the electrochemically active biofilm was developed. The right end was the cathode electrode, in which the oxygen was reduced. For boundary conditions a Monod kinetic was used in combination with the Butler – Volmer equation. The constants of the solved equations were obtained by parameter analysis during the operation of a two chamber MFC in the context of a previous PhD (M. Tremoulis 2013). The operating conditions were dictated by previous experiments. The design of the model was kept simple so as to reduce the computational cost. The theoretical predictions included a concentration distribution within the computational domain and potential development between the two electrodes. They were compared satisfactorily to experimental measurements. The effects of the operating parameters such as the conductivity of the electrolyte, the feed concentration of the organic substrate and the distance of the electrodes were studied. Finally, ways of improving the model were proposed to better approximate the multiple phenomena that occur during the operation of the MFC.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Καβουσανάκης, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	81	el
heal.fullTextAvailability	false