Forskare har utformat matematiska uttryck som mer exakt uppskattar gasrörelse genom nanoserade porer. Detta kan bidra till att förbättra bränslecellsutvecklingen.

Många konstruerade enheter är beroende av gasflödet genom ett poröst medium. I katalysatorer, till exempel, skadliga bilavgaser passerar genom ett poröst medium av keramiska pärlor belagda med en katalysator som omvandlar dem till ofarliga föreningar. Också, i bränsleceller under utveckling för miljövänliga fordon, väte och syre passerar genom en porös katalysator som omvandlar dem till vatten, producerar el.

Ingenjörer behöver en tydlig förståelse för hur gaser rör sig genom porösa medier för att förbättra dessa enheter. Dock, det är svårt att mäta transporten av molekyler genom nanoserade porer.

Forskare vid Tohoku University i Japan som specialiserat sig på sällsynt gasdynamik, tillsammans med kollegor på Honda R&D Co., Ltd., använde datorbaserade simuleringar för att utveckla två matematiska uttryck som uppskattar gasflödeshastigheten genom ett poröst medium.

Uttrycken ser ut som ekvationer, men visar faktiskt ett fysiskt samband mellan flödeshastighet genom ett poröst medium och tryckgradient, som kan hjälpa till att förstå molekylär transport genom porösa medier. Detta kan hjälpa till att utveckla mer miljövänliga bränsleceller för bilar och till och med för framtida rymdfärjor.

Teamet använde metoden 'direkt simulering Monte Carlo (DSMC), 'som modellerar flödet av lågtrycksgas med hjälp av simuleringsmolekyler. I deras studie, porösa medier representerades av slumpmässigt arrangerade fasta sfäriska partiklar. Teamet undersökte vad som hände när ett konstant flöde av vätemolekyler drevs genom mediet av en konstant tryckgradient. Simuleringar utfördes för olika porositeter och olika storlekar av fasta partiklar.

Teamet fann att gasflödeshastigheten genom ett poröst medium ökar i proportion till ökande tryckgradient. Detta visar att Darcys lag, som säger att vätskeflödeshastigheten genom ett poröst medium är proportionellt mot tryckgradienten, gäller även med nanoserade porer. Dock, de hittade konventionella modeller, såsom Kozeny-Carman-ekvationen, som ofta används för att uppskatta flödeshastigheten genom ett poröst medium, producerade uppskattningar som skilde sig från resultaten från DSMC -simuleringarna när mikrosized porer byttes till nanoserade porer.

När porerna är relativt stora, tryckskillnaden inducerar gasflöde. Flödet stabiliseras när den viskösa kraften som utövas på gasen vid porväggarna balanserar ut kraften på grund av tryckskillnaden. Detta kallas 'visköst flöde'. Å andra sidan, när porerna nanosiseras, gasmolekyler kan inte känna tryckskillnaden direkt eftersom kollisioner mellan molekyler och molekyler är mycket mindre frekventa jämfört med molekyler mellan väggar och kollisioner. I detta fall, gasmolekyler sprids i slumpmässiga riktningar efter molekyl-till-vägg-kollisioner. Dessa kaotiska molekylrörelser inducerar ett nettomolekylärt flöde i riktning mot mindre koncentration. Detta kallas 'Knudsen flux'. Anledningen till att de konventionella modellerna producerade felaktiga uppskattningar när det gäller nanoserade porer beror på att endast visköst flöde beaktas i dessa modeller.

Teamet utvecklade två matematiska uttryck som beskriver gasflödeshastigheten genom ett poröst medium. De betraktade ett poröst medium som en bunt med slingrande kapillärrör, vars diameter är lika med det genomsnittliga avståndet som en molekyl färdas mellan på varandra följande kollisioner mellan molekyl och vägg. Deras uttryck för ett poröst medium konstruerades genom att överlagra bidrag från både viskösa och Knudsen -flöden genom de slingrande kapillärrören.

Teamet fann att inmatning av information som partikeldiameter och porositet i dessa uttryck resulterade i uppskattningar av flödeshastighet som stämde väl överens med DSMC -simuleringsresultaten.

"Våra uttryck kommer att vara tillämpliga på alla gaser med enkla molekyler och på alla porösa medier med en godtycklig inre struktur, "säger Tohoku -universitetets Shigeru Yonemura, studiens motsvarande författare. "Denna kunskap kommer att vara användbar inte bara för bränslecellsteknik utan även för all teknik som involverar gasflöde genom ett poröst medium. Vårt nästa steg är att konstruera ett teoretiskt uttryck för kapillärrörs tortuositet. Med detta, vi kommer att kunna slutföra våra uttryck för att uppskatta gasflödeshastigheter genom vilket poröst medium som helst. "