مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی یک‌بعدی- یک‌بعدی الکترولایزرهای غشای تبادل پروتونی فشار بالا برای تولید هیدروژن

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
لیلا هندویی 1
روزبه شفقت 1
عباس رامیار 1
مرتضی دردل 1
قدیر اسماعیلی 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران
2 دانشکده مهندسی فناوری های نوین، دانشگاه تخصصی فناوری‌های نوین آمل، آمل، ایران
چکیده
یکی از مهم‌ترین عوامل در کاهش طول عمر و عمکرد نامناسب الکترولایزرهای پلیمری، پخش غیریکنواخت جریان در سطح غشا است. از آنجایی که هموارترین پخش گونه‌ها و آب منجر به رسیدن به پخش بهینه جریان می‌شود بنابراین در پژوهش حاضر مدل یک‌بعدی- یک‌بعدی توسعه داده شده است که پخش گونه‌ها و آب و در نهایت توزیع جریان در لایه‌ها را بررسی کرده و شرایط عملکرد بهینه الکترولایزر غشای تبادل پروتونی فشار بالا را تعیین می‌کند. در این مدل فشار در طول کانال ثابت، دمای سلول ثابت و غشا کاملاً هیدراته فرض شده است. طول کانال‌های آند و کاتد به 20 قسمت مساوی تقسیم شده و با حل هم‌زمان معادلات در راستای کانال و در راستای عمود بر آن در هر قسمت، پخش گونه‌ها و جریان به دست می‌آید. نتایج نشان دادند که با افزایش چگالی جریان متوسط توزیع جریان در راستای کانال هموارتر و با افزایش دبی آب ورودی پخش جریان هموارتر شده، ولی تاثیر چندانی بر منحنی قطبش ندارد. اثر فیک در پخش گونه‌ها در سطح مشترک غشا و لایه نفوذ گاز بررسی و در نهایت با بررسی تاثیر ضخامت بر منحنی قطبش معین شده است. با افزایش ضخامت غشا و الکترود‌ها عملکرد سیستم کاهش می‌یابد.
کلیدواژه‌ها
الکترولایزر پلیمری
مدل‌سازی یک‌بعدی- یک‌بعدی
تولید هیدروژن
توزیع جریان

موضوعات

عنوان مقاله English

1D- 1D Modeling of High Pressure PEM Electrolyzers for Hydrogen Production

نویسندگان English

L. Hendooie 1
R. Shafaghat 1
A. Ramiar 1
M. Dardel 1
Q. Esmaili 2
1 Mechanical Engineering Faculty, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
2 Management & Technology Applications School, Amol University of Special Modern Technologies, Amol, Iran
چکیده English

One of the most important factors in decreasing the lifetime and inappropriate performance of PEM electrolyzers is the non-uniform current distribution on membrane surface. Since the smoothest distribution of species and water leads to optimal current distribution, in this research, a 1D- 1D model has been developed that explores the distribution of species and water, and finally the current distribution in layers and determines the optimal performance conditions of the high PEM membrane electrolyzers. In this model, the pressure is assumed constant throughout the channel, the cell temperature is constant, and the membrane is fully hydrated. The length of the anode and cathode channels is divided into 20 equal parts. By simultaneously solving the equations along the channel and perpendicular to it in each section, the distribution of species and current are obtained. The result showed that by increasing the average flow density, the flow distribution is smoother along the channel and, with increasing water flow, the current distribution is smoothed, but it has little effect on the polarization curve. Fick's effect on the distribution of species at the interface between the membrane and the gas diffusion layer has been investigated. Finally, the effect of thickness on the polarization curve is determined. By increasing the thickness of the membrane and the electrodes, the function of the system decreases.

کلیدواژه‌ها English

PEM electrolyzer
1D- 1D modeling
Hydrogen production
Current distribution
Abdol Rahim AH, Salami Tijani A, Kamarudin SK, Hanapi S. An overview of polymer electrolyte membrane electrolyzer for hydrogen production: Modeling and mass transport. Journal of Power Sources. 2016;309:56-65. [Link] [DOI:10.1016/j.jpowsour.2016.01.012]
Kim H, Park M, Lee KS. One-dimensional dynamic modeling of a high-pressure water electrolysis system for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy. 2013;38(6):2596-2609. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.12.006]
Marangio F, Santarelli M, Calì M. Theoretical model and experimental analysis of a high pressure PEM water electrolyser for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy. 2009;34(3):1143-1158. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2008.11.083]
Lebbal ME, Lecœuche S. Identification and monitoring of a PEM electrolyser based on dynamical modelling. International Journal of Hydrogen Energy. 2009;34(14):5992-5999. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.02.003]
Dedigama I, Ayers K, Shearing PR, Brett DJL. An experimentally validated steady state polymer electrolyte membrane water electrolyser model. International Journal of Electrochemical Science. 2014;9(5):2662-2681. [Link]
Fritz III DL, Mergel J, Stolten D. PEM electrolysis simulation and validation. ECS Transactions. 2014;58(19):1-9. [Link] [DOI:10.1149/05819.0001ecst]
Choi P, Bessarabov DG, Datta R. A simple model for Solid Polymer Electrolyte (SPE) water electrolysis. Solid State Ionics. 2004;175(1-4):535-539. [Link] [DOI:10.1016/j.ssi.2004.01.076]
Görgün H. Dynamic modelling of a Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyzer. International Journal of Hydrogen Energy. 2006;31(1):29-38. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2005.04.001]
Dale NV, Mann MD, Salehfar H. Semiempirical model based on thermodynamic principles for determining 6 kW proton exchange membrane electrolyzer stack characteristics. Journal of Power Sources. 2008;185(2):1348-1353. [Link] [DOI:10.1016/j.jpowsour.2008.08.054]
Santarelli M, Medina P, Calì M. Fitting regression model and experimental validation for a high-pressure PEM electrolyzer. International Journal of Hydrogen Energy. 2009;34(6):2519-2530. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2008.11.036]
Awasthi A, Scott K, Basu S. Dynamic modeling and simulation of a proton exchange membrane electrolyzer for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy. 2011;36(22):14779-14786. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2011.03.045]
Abdin Z, Webb CJ, Gray EM. Modelling and simulation of a Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyser cell. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;40(39):13243-13257. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2015.07.129]
Onda K, Murakami T, Hikosaka T, Kobayashi M, Notu R, Ito K. Performance analysis of polymer-electrolyte water electrolysis cell at a small-unit test cell and performance prediction of large stacked cell. Journal of The Electrochemical Society. 2002;149(8):A1069-A1078. [Link] [DOI:10.1149/1.1492287]
Bernardi DM, Verbrugge MW. Mathematical model of a gas diffusion electrode bonded to a polymer electrolyte. AIChE Journal. 1991;37(8):1151-1163. [Link] [DOI:10.1002/aic.690370805]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 19، شماره 7
تیر 1398
صفحه 1663-1674