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
نويسنده اصلي
عباسي فخر، احمد
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
مهندسي مواد
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
چكيده
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.
شماره ركورد
227215
گرايش رشته تحصيلي
خوردگي و حفاظت از مواد
دانشكده
مهندسي مواد
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان