پديد آورنده :
عباسي فخر، احمد
عنوان :
طراحي و ساخت سل توليد هيدروژن به روش تفكيك آب فتوالكتروشيميايي بر مبناي سيستم هاي PEM با بهره گيري از شبيه سازي در بهينه سازي پارامترهاي موثر
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
خوردگي و حفاظت از مواد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
يازده-115ص- :مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
سل فتوالكتروشيميايي , شكافت آب , توليد هيدروژن , طراحي الكترولايزر , شبيهسازي سل , كامسول , Photoelectrochemical cell , , water splitting , hydrogen production , electrolyzer design , cell simulation , COMSOL
تاريخ ورود اطلاعات :
1403/02/23
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1403/02/24
چكيده فارسي :
با توجه به روند تأمين انرژي از منابع سوختهاي فسيلي و پيامدهاي زيستمحيطي و آلودگيهاي ناشي از آن، جايگزين آن با منابع پاك و تجديد پذير انرژي بهويژه در كشورهاي درحالتوسعه جهت نيل به سمت آيندهاي پايدار اجتنابناپذير است. در اين راستا، هيدروژن توليدشده به روش شكافت آب با استفاده از نور خورشيد بهعنوان يك سوخت پاك و غني از انرژي ميتواند در بسياري از صنايع مادر مانند فولاد و پتروشيمي و سامانههاي حملونقل مورداستفاده قرار گيرد. درزمينه توليد هيدروژن فتوالكتروشيميايي (PEC) بيشتر مطالعات بر روي توسعه مواد نانو ساختار كارآمد تمركز داشته و توجه كمتري به بهينهسازي سلهاي PEC شده است. بااينحال، طراحي سل تا حد زيادي بر عملكرد و بازده كلي اين سيستمها تأثير ميگذارد و يك عنصر كليدي براي رقابتي و تجاريسازي توليد هيدروژن خورشيدي است. عواملي ازجمله سرعت الكتروليت و الگوي توزيع آن، ايجاد جريان همرفتي روي كاتاليست، تغييراتpH ، فشار و دماي الكتروليز، خروج مؤثر گازها از سل و چندين پارامتر ديگر تأثير بسزايي در بازده كلي سلهاي تقسيم آب دارند. در اين پژوهش طراحي جديدي براي يك سل فتوالكتروشيميايي براي توليد هيدروژن انجامشده است. در اين راستا از نرمافزار شبيهسازي COMSOL Multiphysics كه از مهمترين ويژگيهاي آن قابليت ادغام فيزيكهاي مختلف و بررسي تأثير آنها بر يكديگر است جهت ارزيابي طرح سل جديد استفاده شد. معادلات حاكم بر مدل پيشنهادي شامل معادلات ناوير-استوكس در شبيهسازي الگوي توزيع سيال در سل، معادله انتقال حرارت تابشي و معادلات مربوط به الكتروشيمي در شبيهسازي محيط الكتروليز آب است. خطوط سرعت، نقشه توزيع جريان سيال، خطوط دما و نتايج الكتروشيمي ارائه و مورد تجزيهوتحليل قرار گرفتند. بر اساس پارامترهاي بهينهشده در طراحي و توزيع سيال، سل موردنظر با استفاده از دستگاه cnc و فولاد زنگ نزن L316 بهعنوان بستر صفحات دوقطبي ساخته شد. ارزيابي عملكرد سل در شرايط واقعي با استفاده از شبيهساز خورشيدي با توان W/m2 1000جهت تأمين طيف تابشي، دياكسيد تيتانيوم با ساختار نانولوله با طول لولههاي nm 270 و قطر خارجي nm 75 بهعنوان فتوكاتاليست آندي با ابعاد cm2 × cm2 و فوم نيكل پوششدهي شده با Ti/TiN به روش رسوب فيزيكي بخار و عامل دار شده با نانو ذرات پلاتين بهعنوان الكتروكاتاليست كاتدي با ابعاد cm3 × cm3 انجام شد. ريزساختارها و مورفولوژي سطحي پوششهاي اعمالشده با استفاده از ميكروسكوپ الكترون روبشي (FE-SEM) و ارزيابي پايداري ساختارهاي شكلگرفته با آزمونهاي پلاريزاسيون پتانسيوديناميك و كرونوآمپرومتري مورد تجزيهوتحليل قرار گرفتند. نتايج حاكي از توزيع يكنواخت سيال در سل با شاخص يكنواختي 72%، انتقال حرارت مؤثر در سرعت الكتروليت cm/s 5 و بهينهسازي هندسي بستر فتوكاتاليست آندي در طراحي حفرهاي با قطر µm 300 و فاصله µm 100 بهدست آمد. درنهايت سل ساختهشده در شرايط آزمايشگاهي و تحت تابش پرتو نور با شار تابشي W/m2 1000 قادر به توليد جريان نوري mA46/0 در ولتاژ سل V2/1 است. مقايسه نتايج ارزيابي كاتاليستهادر خارج سل و نتايج حاصل از ارزيابي آنها در داخل سل حاكي از عملكرد مطلوب سل PEC ساختهشده در شرايط تجربي و آزمايشگاهي است.
چكيده انگليسي :
Considering the trend of energy supply from fossil fuel sources and the environmental consequences and pollution caused by it, its replacement with clean and renewable energy sources is inevitable, especially in developing countries in order to achieve a sustainable future. In this regard, hydrogen produced by water splitting using sunlight as a clean and energy-rich fuel can be used in many parent industries such as steel and petrochemicals and transportation systems. In the field of photoelectrochemical hydrogen production (PEC), most studies have focused on the development of efficient nanostructured materials and less attention has been paid to the optimization of PEC cells. However, cell design greatly affects the overall performance and efficiency of these systems and is a key element for the competitiveness and commercialization of solar hydrogen production. Factors such as the speed of the electrolyte and its distribution pattern, creating a convective current on the catalyst, changes in pH, pressure and temperature of electrolysis, the effective exit of gases from the cell and several other parameters have a significant effect on the overall efficiency of water splitting cells. In this research, a new design for a photoelectrochemical cell for hydrogen production has been done. In this regard, COMSOL Multiphysics simulation software, whose most important features are the ability to integrate different physics and examine their effects on each other, was used to evaluate the new cell design. The governing equations of the proposed model include the Navier-Stokes equations in the simulation of the fluid distribution pattern in the cell, the radiant heat transfer equation and the equations related to electrochemistry in the simulation of the water electrolysis environment. Velocity lines, fluid flow distribution map, temperature lines and electrochemical results were presented and analyzed. Based on optimized parameters in fluid design and distribution, the desired cell was made using cnc machine and L316 stainless steel as a substrate for bipolar plates. evaluation of cell performance in real conditions using a solar simulator with a power of 1000 W/m2 to provide the radiation spectrum, titanium dioxide with a nanotube structure with a tube length of 270 nm and an outer diameter of 75 nm as an anode photocatalyst with dimensions of cm2 × cm2 and nickel foam coated with Ti/TiN was prepared by physical vapor deposition method and functionalized with platinum nanoparticles as cathode electrocatalyst with cm3 × cm3 dimensions. The microstructures and surface morphology of the applied coatings were analyzed using a scanning electron microscope (FE-SEM) and the stability of the formed structures was analyzed by potentiodynamic polarization and chronoamperometry tests. The results indicated uniform fluid distribution in the cell with a uniformity index of 72%, effective heat transfer at an electrolyte speed of 5 cm/s, and geometric optimization of the anodic photocatalyst substrate in a hole design with a diameter of 300 µm and a distance of 100 µm. Finally, the cell made in laboratory conditions and under the irradiation of light beam with a radiant flux of 1000 W/m2 was able to produce a light current of 0.46 mA at a cell voltage of 1.2 V.
استاد راهنما :
مهران نحوي
استاد مشاور :
ابراهيم افشاري
استاد داور :
علي اشرفي , مهدي علي زاده