مدل سازی سه بعدی جریان حبابی الکترولیت در فاصله بین دو الکترود یک سلول باتری جریانی با درنظر گرفتن جداکننده های متفاوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری تخصصی دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

2 کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در باتری‌ جریانی Zn-Ag2O ، الکترولیت به عنوان یک ماده فعال در واکنش های الکتروشیمیایی در فاصله بسیار ناچیز بین الکترودها، جریان دارد و به دلیل جلوگیری از اتصال کوتاه بین الکترودها، معمولا از جداکننده‌هایی بین آن‌ها استفاده می گردد. در این باتری ها، گاز هیدروژن ناشی از واکنش‌های الکتروشیمیایی بصورت حباب از سطح کاتد به جریان الکترولیت وارد شده و جریان دوفازی تشکیل می دهد. حضور این حباب‌های گازی در جریان الکترولیت، علی الخصوص در فرایند های دشارژ با نرخ بالا، می تواند باعث کاهش سطح فعال الکتروشیمیایی الکترودها، افزایش مقاومت در باتری و درنتیجه کاهش ظرفیت باتری گردد. در این مقاله، به منظور رفع این مشکل، با در نظر گرفتن دو سطح مقطع متفاوت برای جدا کننده ها، نحوه تشکیل و حضور حباب‌های گازی بر روی سطوح الکترودی و در فاصله بین الکترودها، بصورت عددی بررسی شده است. نتایج این مطالعه نشان داد که حباب‌های حاضر در جریان دوفازی الکترولیت ، زمان بیشتری در پشت جداکننده با سطح مقطع مربع شکل نسبت به حالت استفاده از جداکننده با سطح مقطع دایروی، در فاصله ناچیز بین الکترودها طی کرده تا از آن عبور کند. لذا این تاخیر، منجر به رسیدن دیگر حباب‌ها به همدیگر و درنتیجه، ترکیب شدن آن ها شده است؛ این امر با دو رویکرد مثبت و منفی در این مقاله بررسی شده است.

کلیدواژه‌ها


Smiley face

  1. Thomas B. Reddy, “Linden's Handbook of Batteries”, Fourth Edition, Los Angeles, United States, 2011.

    1. Chen, R., Kim, S., Chang, Z., “Redox Flow Batteries: Fundamentals and Application”, 2017.DOI:http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.68752.
    2. Anderson, G. E., Middletown, R.I, Al-AgO Primary Battery, United States Patent, 1975.
    3. Taqieddin, A., Nazari, R., Rajic, L., Alshawabkeh, A., “Review—Physicochemical Hydrodynamicsof Gas Bubbles in Two Phase Electrochemical Systems”, Journal of The Electrochemical Society, vol, 13, 164, pp. E448-E459 , 2017. https://doi.org/10.1149/2.1161713jes
    4. Aldas, K., Pehlivanoglu, N., Mat, M. D., “Numerical and experimental investigation of two-phaseflow in an electrochemical cell”, international journal of hydrogen energy , vol. 33 , pp. 3668 – 367, 2008. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.04.047
    5. Hreiza, R., Abdelouahed, L., Fünfschilling, D., Lapicque, F., “Electrogenerated bubbles inducedconvection in narrow vertical cells: A review”, chemical engineering research and design, vol. 100, pp. 281-268, 2015. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.05.035
    6. Mat, M. D., Aldas, K., Veziroolu, T.N., “A two phase model for electrochemical systems”, Full Cell Technologies, pp. 271-277, 2005. DOI : https://doi.org/10.1007/1-4020-3498-9_30.
    7. Ravichandra, S., Zhang, H., Zappi, G., Bourgeois, R., “Modeling Bubble Flow and Current Density Distribution in an Alkaline Electrolysis Cell”, Journal of Computational Multiphase Flows, pp. 341-349, 2009. DOI : https://doi.org/10.1260%2F1757-482X.1.4.341.
    8. Esmailpour, K., “A comprehensive Guide to Ansys CFX (Advanced)”, Dibagaran Publisher, 2014. ISBN: 978-600-124-348-6 (in Persion)
    9. Brackbill, J. U., Kothe, D. B., Zemach, C., “A Continuum Method for Modeling Surface Tension”, Journal of Computational Physics, 100, pp. 335-354, 1992. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9991(92)90240-Y.
    10. Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E., “Bubbles, Drops, and Particles”, 1978.
    11. Tomiyama, A., Tamai, H., Zun, I., Hosokawa, S., “Transverse migration of single bubbles in simple shear flows”, Chemical Engineering Science, 57, pp. 1849 – 1858, 2002. DOI:https://doi.org/10.1016/S0009-2509(02)00085-4.
    12. Paladino, E.E., Maliska, C.R., “Virtual mass in accelerated bubbly flows”, SINMEC - Computational Fluid Dynamics Laboratory, Federal University of Santa Catarina, Florianopolis/SC – Brazil - CEP: 88040-900, 2003.
    13. Frank, T., Zwart, P.J., Krepper, E., Prasser, H.M., Lucas, D., “Validation of CFD models for mono- and polydisperse air–water two-phase flows in pipes”, Nuclear Engineering and Design, 238, pp. 647–659, 2008. DOI : https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2007.02.056.
    14. Lahey Jr, R.T., Lopez de Bertodano, M., Jones Jr, O.C., “Phase distribution in complex geometry conduits”, Nuclear Engineering and Design, 141, pp. 177-201, 1993. DOI:https://doi.org/10.1016/00295493(93)90101-E.
    15. Burns, A. D., Frank, T., Hamill, I., Shi, J., “The Favre Averaged Drag Model for Turbulent Dispersion in Eulerian Multi-Phase Flows”, 5th International Conference on Multiphase Flow, Japan , pp. 392-398, 2004.
    16. Knewstubb, P. F., Suoden, T. M., “Surface Tension of Aqueous Solutions of Pottassium Hydroxide, Nature”, Department of Physical Chemistry, University of Cambridge, 196 , pp. 1312-1313, 1962.

    18. Courant, R., Friedrichs, K., Lewyt, H., “On the Partial Difference Equations of Mathematical Physics”, IBM Journal, pp. 215-234, 1967. DOI:https://doi.org/10.1147/rd.112.0215