Μοντελοποίηση μικροβιακής κυψελίδας καυσίμου με το λογισμικό Comsol Multiphysics®

Πέππας, Αντώνης

dc.contributor.author	Πέππας, Αντώνης	el
dc.date.accessioned	2020-12-10T07:14:53Z
dc.date.available	2020-12-10T07:14:53Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52439
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20137
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	ΜΚΚ	el
dc.subject	Μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Μοντέλο	el
dc.subject	MFC	en
dc.subject	Microbial fuel cell	en
dc.subject	Comsol	en
dc.subject	model	en
dc.subject	Comsol multiphysics	en
dc.title	Μοντελοποίηση μικροβιακής κυψελίδας καυσίμου με το λογισμικό Comsol Multiphysics®	el
dc.title	Microbial fuel cell modelling with comsol multiphysics®	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Chemical Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10
heal.abstract	Microbial Fuel Cell (MFC) is a bio-electrochemical system that converts the chemical energy found in organic substrates into electric power through microbial catalyzed reactions under anaerobic conditions. The fact that MFCs are capable of wastewater treatment whilst generating electrical current has piqued interest for further research and development of these new technologies. The purpose of this study is to simulate a two-chamber microbial fuel cell using Comsol Multiphysics® software in order to build the model. The set-up that is being simulated consists of an anodic chamber where the glucose is being oxidized by electrochemically active bacteria and a cathodic chamber where oxygen is being reduced. The physical phenomena that are chosen to describe the operation of the MFC are the consumption of glucose and the distribution of the electric potential as a result. Different expressions of the anode kinetics are being examined and specifically the differences between Monod – Butler – Volmer kinetics and Nernst – Monod, creating two different models. The values of the equation parameters are obtained from A. Tremouli (2013) and R. Lacroix et al. (2014). In addition, the effect of the electrodes’ double layer capacitance is being examined as well as the simulation of the biofilm in the anodic electrode for the first model. In order to interpret the results, diagrams of glucose concentration and electric potential of the cell with respect to time are being constructed. For the electrochemical losses of the MFC, polarization curves are built that are also being compared to experimental data. Furthermore, parametric analysis is being performed for different values of electrolyte conductivity, initial glucose concentration and electrodes distance. At last, various suggestions are made for extending and optimizing the model in order to achieve a better approximation of the results with the experimental data.	en
heal.abstract	Η Μικροβιακή Κυψελίδα Καυσίμου (Μ.Κ.Κ.) είναι ένα βιο-ηλεκτροχημικό σύστημα το οποίο μετατρέπει την χημική ενέργεια οργανικών υποστρωμάτων σε ηλεκτρική μέσω μικροβιακών καταλυτικών αντιδράσεων υπό αναερόβιες συνθήκες. Το γεγονός ότι οι Μ.Κ.Κ. δύνανται να επεξεργαστούν υγρά απόβλητα με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον για περαιτέρω μελέτη και εξέλιξη των νέων αυτών τεχνολογιών. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η προσομοίωση της λειτουργίας μιας μικροβιακής κυψελίδας καυσίμου δύο θαλάμων με τη χρήση του λογισμικού Comsol Multiphysics® για την κατασκευή του μοντέλου. Η διάταξη η οποία μοντελοποιείται, αποτελείται από έναν θάλαμο ανόδου μέσα στον οποίο πραγματοποιείται η οξείδωση της γλυκόζης από ηλεκτροχημικά ενεργά βακτήρια και έναν θάλαμο καθόδου στον οποίο ανάγεται το οξυγόνο. Τα φαινόμενα που εξετάζονται για τη περιγραφή της λειτουργίας της Μ.Κ.Κ. είναι η κατανάλωση της γλυκόζης και η κατανομή του αναπτυσσόμενου ηλεκτρικού δυναμικού της κυψελίδας λόγω της κατανάλωσης. Η συγκεκριμένη εργασία εστιάζει στις διαφορετικές περιγραφές κινητικής της αντίδρασης του ηλεκτροδίου της ανόδου και συγκεκριμένα ανάμεσα στην Monod – Butler – Volmer και στη κινητική Nernst – Monod με την κατασκευή δυο διαφορετικών μοντέλων. Οι τιμές των παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στα δύο μοντέλα λαμβάνονται από τη διδακτορική διατριβή της Α. Τρεμούλη (2013) και από το άρθρο των R. Lacroix et al. (2014). Επιπλέον, μελετάται η επίδραση της χωρητικότητας της ηλεκτροχημικής διπλοστιβάδας στα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου καθώς και η μοντελοποίηση του βιοφίλμ στο ανοδικό ηλεκτρόδιο για το πρώτο μοντέλο. Από τα αποτελέσματα που προκύπτουν, καταστρώνονται διαγράμματα συγκέντρωσης της γλυκόζης και ηλεκτρικού δυναμικού της κυψελίδας συναρτήσει του χρόνου. Για την περιγραφή των ηλεκτροχημικών απωλειών που συμβαίνουν εντός της κυψελίδας, κατασκευάζεται καμπύλη πόλωσης η οποία συγκρίνεται με πειραματικά δεδομένα. Ακόμα, πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση των διαφορετικών μοντέλων για διαφορετικές τιμές αγωγιμότητας ηλεκτρολύτη, αρχικής συγκέντρωσης γλυκόζης και απόστασης των ηλεκτροδίων. Τέλος, γίνονται προτάσεις για επέκταση και βελτιστοποίηση του μοντέλου προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη προσέγγιση των αποτελεσμάτων με τα πειραματικά δεδομένα.	el
heal.advisorName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Μαρούλης, Ζαχαρίας	el
heal.committeeMemberName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false