Abstract:
CONDITION FOR PUBLICATION OF PROJECT. Climate change mitigation has highlighted fuel cells as a promising candidate for energy generation. In order to improve fuel cell efficiency, the influence of microstructural characteristics and the relationship between porosity and tortuosity in fibrous porous media are investigated. Three-dimensional computational domains representative of gas diffusion layers were generated with porosities ranging from 0.70 to 0.90, using increments of 0.01, and flow simulations were performed using the Lattice Boltzmann method. For each porosity value, 400 independent evaluations were conducted, allowing for a robust characterization of the porosity–tortuosity relationship, with variability exclusively associated with the distribution of the solid phase within the computational domain. The results revealed a decreasing relationship between porosity and tortuosity, demonstrating that more porous media exhibit transport pathways with lower geometrical complexity. Additionally, it was determined that fiber arrangement significantly influences tortuosity, even for similar porosity values. Finally, the numerical stability and convergence of the model were quantitatively verified, enabling reliable simulations and providing data that contribute to the improved design of gas diffusion layers with optimized transport properties.
Keywords: Gas Diffusion Layers, Fuel Cells, Lattice Boltzmann Method, Porosity, Tortuosity
Description:
CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. La mitigación del cambio climático ha reflejado que las celdas de combustible sean un candidato para generación de energía. En mejora de la eficiencia de las celdas se estudia la influencia microestructural y la relación entre porosidad-tortuosidad en medios fibrosos. Se generaron dominios tridimensionales que reflejan a una capa difusora de gases en porosidades en el rango de entre 0.70 a 0.90 con incrementos de 0.01, y se realizaron simulaciones de flujo empleando el método de Lattice Boltzmann. Para cada valor de porosidad se realizaron 400 evaluaciones independientes, lo que permitió obtener una caracterización sólida de porosidad-tortuosidad asociando su variabilidad únicamente a la distribución de la fase sólida en el dominio computacional. Los resultados mostraron una relación decreciente entre porosidad y tortuosidad, evidenciando que medios más porosos comprenden a trayectorias de transporte de menor complejidad. Adicionalmente, se determinó que la disposición de fibras influye significativamente en la tortuosidad, incluido para porosidad similares. Finalmente, se verificó cuantitativamente la estabilidad y convergencia del modelo numérico permitiendo así modelar y aportar datos para un mejor diseño de capas difusoras de gases con transporte optimizado.