شماره مدرك
21217
شماره راهنما
394 گلپايگان
پديد آورنده
خواجه شيراني، فراز
عنوان
شبيهسازي عددي الكترولايزر غشا پليمري دما بالا: با هدف مطالعه توزيع دما و مديريت حرارتي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
يازده، 76ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
هيدروژن سبز , الكترولايزر غشا تبادل پروتون , ديناميك سيالات محاسباتي , مديريت حرارتي , لايه نفوذ گاز , توزيع چگالي جريان
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/05
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
فني مهندسي گلپايگان
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/09
كد ايرانداك
23235875
چكيده فارسي
هيدروژن سبز بهعنوان يكي از گزينههاي اصلي گذار به سامانههاي انرژي كمكربن مطرح است و الكتروليز آب با غشا تبادل پروتون (PEMWE) روشي كارآمد براي توليد آن بهشمار ميرود. عملكرد و دوام الكترولايزرهاي PEM به توزيع دما، چگالي جريان و گونهها در لايههاي فعال وابسته است و مديريت حرارتي مناسب، نقشي كليدي در جلوگيري از ايجاد نواحي داغ و تخريب زودهنگام غشا دارد. در اين پژوهش، يك مدل سهبعدي چندفيزيكي بر پايهي ديناميك سيالات محاسباتي در نرمافزار ANSYS Fluent براي يك سلول الكترولايزر PEM با 12 كانال جريان موازي توسعه داده شده است. مدل شامل معادلات پيوستگي، مومنتوم، انرژي، انتقال گونهها و روابط الكتروشيميايي بوده و پس از بررسي استقلال از شبكه، با منحني قطبيت تجربي گزارششده در ادبيات، اعتبارسنجي شده است.
سپس، اثر چند پارامتر كليدي بر رفتار حرارتي و الكتروشيميايي سلول بررسي شده است كه شامل نوع شرط مرزي حرارتي سطوح ترمينال، وجود يا عدموجود جريان آب در كانال كاتد، دبي جرمي ورودي، ضخامت و ضريب رسانايي حرارتي لايه نفوذ گاز (GDL) و دماي كاري سلول ميباشد. نتايج نشان ميدهد اعمال شرايط عايق بر سطوح ترمينال، بهويژه در ولتاژهاي بالا، منجر به افزايش قابل توجه دماي بيشينه و كاهش يكنواختي ميدان دما ميشود، در حاليكه امكان دفع حرارت از اين سطوح، توزيع دما را كنترلپذيرتر و يكنواختتر ميكند. برقراري جريان آب در كانال كاتد و افزايش دبي، دماي بيشينه را كاهش داده و چگالي جريان و كسر جرمي هيدروژن را بهطور محسوسي بهبود ميبخشد. افزايش ضخامت GDL، يكنواختي توزيع دما و چگالي جريان را ارتقا ميدهد اما بهدليل افزايش مقاومت اهمي و انتقال جرم، باعث كاهش مقدار پيك چگالي جريان و توليد هيدروژن ميشود. اين يافتهها چارچوبي منسجم براي طراحي و بهينهسازي راهبردهاي مديريت حرارتي در الكترولايزرهاي PEM فراهم ميكند و ميتواند در مقياسهاي بالاتر و شرايط صنعتي توسعه يابد.
چكيده انگليسي
Green hydrogen is considered a key option for the transition towards low-carbon energy systems, and proton exchange membrane water electrolysers (PEMWEs) offer an efficient route for its production. The performance and durability of PEMWEs strongly depend on the spatial distribution of temperature, current density and species within the active layers, making thermal management a critical design aspect. In this study, a three-dimensional multiphysics model of a single PEM water electrolysis cell with twelve parallel flow channels is developed in ANSYS Fluent. The model couples the continuity, momentum, energy and species transport equations with electrochemical kinetics, and is validated against experimental polarization data from the literature after a grid-independence study.
On this validated basis, the influence of several key parameters on the thermal and electrochemical behaviour of the cell is investigated, including the thermal boundary condition at the terminal surfaces (isothermal vs. adiabatic), the presence of water flow in the cathode channel, the inlet water mass flow rate, the thickness and thermal conductivity of the gas diffusion layer (GDL), and the operating temperature. The results indicate that adiabatic terminal boundaries, especially at higher voltages, lead to a pronounced increase in peak temperature and thermal non-uniformity, whereas allowing heat dissipation through the terminals significantly mitigates these effects. Supplying water to the cathode channel and increasing the inlet flow rate reduce the maximum temperature and moderately enhance current density and hydrogen mass fraction. Increasing GDL thickness improves the uniformity of temperature and current density distributions, but lowers peak current density and hydrogen production due to higher ohmic and transport resistances. These findings provide a consistent numerical framework and practical guidelines for thermal management and design optimisation of PEM water electrolysers, and can be extended to stack-level and industrial operating condition
استاد راهنما
مرضيه رضازاده
استاد مشاور
ابراهيم افشاري
استاد داور
هادي صفائي , ايمان فخاري گلپايگاني