Diffusion and chemical reaction in the porous structures of solid oxide fuel cells

The Rolls-Royce Integrated-Planar Solid Oxide Fuel Cell (IP-SOFC) consists of ceramic modules which have electrochemical cells printed on the outer surfaces. The cathodes are the outermost layer of each cell and are supplied with oxygen from air flowing over the outside of the module. The anodes are in direct contact with the ceramic structure and are supplied with fuel from internal gas channels. Natural gas is reformed into hydrogen for use by the fuel cells in a separate reformer module of similar design except that the fuel cells are replaced by a reforming catalyst layer. The performance of the modules is intrinsically linked to the behaviour of the gas flows within their porous structures. Because the porous layers are very thin, a one-dimensional flow model provides a good representation of the flow property variations between fuel channel and fuel cell or reforming catalyst. The multi-component convective-diffusive flows are simulated using a new theory of flow in porous material, the Cylindrical Pore Interpolation Model. The effects of the catalysed methane reforming and water-gas shift chemical reactions are also considered using appropriate kinetic models. It is found that the shift reaction, which is catalysed by the anode material, has certain beneficial effects on the fuel cell module performance. In the reformer module it was found that the flow resistance of the porous support structure makes it difficult to sustain a high methane conversion rate. Although the analysis is based on IP-SOFC geometry, the modelling approach and general conclusions are applicable to other types of SOFC.

Analysis of an asymptotic preserving scheme for linear kinetic equations in the diffusion limit

We present a mathematical analysis of the asymptotic preserving scheme proposed in [M. Lemou and L. Mieussens, SIAM J. Sci. Comput., 31 (2008), pp. 334-368] for linear transport equations in kinetic and diffusive regimes. We prove that the scheme is uniformly stable and accurate with respect to the mean free path of the particles. This property is satisfied under an explicitly given CFL condition. This condition tends to a parabolic CFL condition for small mean free paths and is close to a convection CFL condition for large mean free paths. Our analysis is based on very simple energy estimates. © 2010 Society for Industrial and Applied Mathematics.

Exact and numerical solutions for diffusio-reaction equations with convection term

Esta dissertação estuda essencialmente dois problemas: (A) uma classe de equações unidimensionais de reacção-difusão-convecção em meios não uniformes (dependentes do espaço), e (B) um problema elíptico não-linear e paramétrico ligado a fenómenos de capilaridade. A Análise de Perturbação Singular e a dinâmica de Hamilton-Jacobi são utilizadas na obtenção de expressões assimptóticas para a solução (com comportamento de frente) e para a sua velocidade de propagação. Os seguintes três métodos de decomposição, Adomian Decomposition Method (ADM), Decomposition Method based on Infinite Products (DIP), e New Iterative Method (NIM), são apresentados e brevemente comparados. Adicionalmente, condições suficientes para a convergência da solução em série, obtida pelo ADM, e uma aplicação a um problema da Telecomunicações por Fibras Ópticas, envolvendo EDOs não-lineares designadas equações de Raman, são discutidas. Um ponto de vista mais abrangente que unifica os métodos de decomposição referidos é também apresentado. Para subclasses desta EDP são obtidas soluções numa forma explícita, para diferentes tipos de dados e usando uma variante do método de simetrias de Bluman-Cole. Usando Teoria de Pontos Críticos (o teorema usualmente designado mountain pass) e técnicas de truncatura, prova-se a existência de duas soluções não triviais (uma positiva e uma negativa) para o problema elíptico não-linear e paramétrico (B). A existência de uma terceira solução não trivial é demonstrada usando Grupos Críticos e Teoria de Morse.

Bistable elliptic equations with fractional diffusion

This work concerns the study of bounded solutions to elliptic nonlinear equations with fractional diffusion. More precisely, the aim of this thesis is to investigate some open questions related to a conjecture of De Giorgi about the one-dimensional symmetry of bounded monotone solutions in all space, at least up to dimension 8. This property on 1-D symmetry of monotone solutions for fractional equations was known in dimension n=2. The question remained open for n>2. In this work we establish new sharp energy estimates and one-dimensional symmetry property in dimension 3 for certain solutions of fractional equations. Moreover we study a particular type of solutions, called saddle-shaped solutions, which are the candidates to be global minimizers not one-dimensional in dimensions bigger or equal than 8. This is an open problem and it is expected to be true from the classical theory of minimal surfaces.

Preconditioning strategies for the numerical solution of convection-diffusion partial differential equations

Il trattamento numerico dell'equazione di convezione-diffusione con le relative condizioni al bordo, comporta la risoluzione di sistemi lineari algebrici di grandi dimensioni in cui la matrice dei coefficienti è non simmetrica. Risolutori iterativi basati sul sottospazio di Krylov sono ampiamente utilizzati per questi sistemi lineari la cui risoluzione risulta particolarmente impegnativa nel caso di convezione dominante. In questa tesi vengono analizzate alcune strategie di precondizionamento, atte ad accelerare la convergenza di questi metodi iterativi. Vengono confrontati sperimentalmente precondizionatori molto noti come ILU e iterazioni di tipo inner-outer flessibile. Nel caso in cui i coefficienti del termine di convezione siano a variabili separabili, proponiamo una nuova strategia di precondizionamento basata sull'approssimazione, mediante equazione matriciale, dell'operatore differenziale di convezione-diffusione. L'azione di questo nuovo precondizionatore sfrutta in modo opportuno recenti risolutori efficienti per equazioni matriciali lineari. Vengono riportati numerosi esperimenti numerici per studiare la dipendenza della performance dei diversi risolutori dalla scelta del termine di convezione, e dai parametri di discretizzazione.