MATHEMATICAL MODELLING, SIMULATION, AND OPTIMIZATION FOR FUEL CELLS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Soft copy _MS Thesis_Afrah Alzahrani.pdf Restricted to Repository staff only until 12 November 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

في هذه الأطروحة، ندرس خلية الوقود الهيدروجينية (HFC)، والتي تُعدُّ مصدراً نظيفاً للطاقة. نركّز على طبقة انتشار الغاز الكاثودية (GDL)، باعتبارها وسطاً مسامياً مسؤولاً عن توزيع المواد المتفاعلة (الأكسجين والهيدروجين) وتوصيل التيار الكهربائي. في هذه الطبقة (GDL)، نقدّم نموذجاً رياضياً يحاكي ديناميكيات المائع عبر مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية: معادلة دارسي، ومعادلة الاستمرارية، ومعادلة الحمل–الانتشار. ثبَت وجود حلٍّ وحيد لهذه المعادلات في الوسط المسامي، مما يؤسّس قاعدة نظرية متينة. تؤكّد هذه النتيجة التحليلية صحّة الصياغة الرياضية (well-posedness) لنموذجنا. لضمان تدفّق الغاز بصورة متجانسة وتعزيز التفاعل الكهروكيميائي، ندرس تحسين نفاذية طبقة انتشار الغاز كدالة متغيّرة عبر الفراغ؛ إن اختيار نفاذية ملائمة للوسط المسامي في GDL يساهم في رفع كفاءة وأداء خلية الوقود الهيدروجينية (HFC). أخيراً، نوضّح النتائج العددية لكلٍّ من النموذج ومشكلات التحسين باستخدام البرمجية مفتوحة المصدر FreeFem++cs. وتُظهر هذه النتائج كيف يمكن للحسابات الرقمية أن تُحسِّن من توزيع الأكسجين وتمكّن أداءً أفضل للخلية.

English Abstract

In this thesis, we consider the hydrogen fuel cell (HFC), a clean energy source for the environment. We consider the cathode gas diffusion layer (GDL, porous medium) since it is responsible for distributing the reactants (oxygen and hydro gen) and conducting the electricity. In the gas diffusion layer, we first introduce a mathematical model simulating the fluid dynamics through the system of partial differential equations (PDEs): Darcy, continuity, and advection-diffusion equa tions. We show the existence and uniqueness of solutions for the Darcy system, which controls flow through the porous GDL; therefore, we build a strong theo retical basis. This analytical result guarantees the mathematical well-posedness of our PDE model. To control the gas flow leading to uniform and maximum reaction, we consider optimizing the permeability of the GDL as a non-uniform function of space. The optimum permeability material design of the GDL would enhance the HFC’s performance and efficiency. Numerical results of the model and optimization problems are obtained through FreeFem++, an open-source software.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Research Math
Department:	College of Computing and Mathematics > Mathematics
Committee Advisor:	Al-Smail, Jamal
Committee Members:	Algharabli, Mohammad and Alotibi, Manal
Depositing User:	AFRAH ALZAHRANI (g202213580)
Date Deposited:	12 Nov 2025 10:38
Last Modified:	12 Nov 2025 10:38
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143741