شبيه‌سازي عددي الكترولايزر غشا پليمري دما بالا: با هدف مطالعه توزيع دما و مديريت حرارتي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

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.

237984

تبديل انرژي

فني مهندسي گلپايگان

دانشگاه صنعتي اصفهان