Sviluppo di un modello cinetico dettagliato per l'analisi delle prestazioni degli elettrolizzatori a membrana a scambio anionico
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Autore
Venturino, Riccardo <2000>
Data
2024-12-20Disponibile dal
2024-12-26Abstract
L'elettrolisi dell'acqua con membrane a scambio anionico (AEM-Anion Exchange Membrane) è un metodo promettente per la produzione di idrogeno come combustibile pulito e per l'accumulo di energia su larga scala. Il punto di forza di queste celle operanti a basse temperature risiede nell’utilizzo di metalli terrosi a basso costo come elettrocatalizzatori, differentemente dalle celle con membrana a scambio protonico, e nella capacità di operare con elettroliti alcalini a bassa concentrazione rispetto agli elettrolizzatori alcalini. L'idrogeno è visto come un vettore rivoluzionario nei sistemi energetici globali, poiché offre una soluzione sostenibile al cambiamento climatico grazie alla sua caratteristica di non generare rifiuti. Tuttavia, i metodi termochimici convenzionali, come il reforming del metano e la gassificazione del carbone, producono idrogeno con basso grado di purezza, richiedendo processi di purificazione onerosi, e rilasciano CO2. Mentre, l’idrogeno prodotto da elettrolisi è un prodotto effettivamente verde caratterizzato da un elevato grado di purezza e, pertanto, richiede minimi o nulli processi di purificazione.
Il presente lavoro si propone di sviluppare un modello per l'analisi delle prestazioni elettrochimiche di un elettrolizzatore con membrana a scambio anionico in linguaggio Python. È stato seguito un approccio cinetico a parametri concentrati. A tal fine, inizialmente è stato eseguito uno studio teorico per formulate i contributi di sovratensione ohmica, di attivazione e di diffusione, anche valutando l’effetto della presenza delle bolle che si formano sulla superficie dell’elettrodo ed evolvono all’interno dell’elettrolita. Le bolle hanno un effetto peggiorativo sulla cinetica elettrochimica, poiché riducono l’area efficace dell’elettrodo e la conduttività dell’elettrolita. Inoltre, sono stati ricavati i profili locali di idrogeno e ossigeno attraverso bilanci di materia monodimensionali lungo lo spessore degli elettrodi per meglio valutare... Anion Exchange Membrane (AEM) water electrolysis is a promising method for hydrogen production as a clean fuel and for large scale energy storage. The strength of this low temperature cell technology consists in the use of low-cost earth metals as electrocatalysts with respect to proton exchange membrane cells and in their ability to operate with low concentration alkaline electrolytes with respect to alkaline electrolysers.
Hydrogen is seen as a revolutionary vector in global energy systems, offering a sustainable solution to climate change due to its zero-waste properties. Nevertheless, conventional thermochemical methods, such as steam reforming of methane and coal gasification, produce low-quality impure hydrogen, requiring expensive purification processes, and generate CO2 emissions. On the other hand, hydrogen produced by electrolysis is an effective green product characterized by a high degree of purity and, therefore, has minimal or no purification requirements.
This work aims to develop a I-V curve model for analysing the electrochemical performance operation anion exchange membrane electrolyser using Python script. A lumped parameter kinetic approach was adopted. For this purpose, initially a theoretical study was conducted aiming at the ohmic, activation and diffusion overpotential formulation, also considering the effect of the presence of bubbles forming on the electrode surface and evolving within the electrolyte. The bubbles have a detrimental effect on the electrochemical kinetics because they reduce the effective area of the electrode and the electrolyte conductivity. Furthermore, local hydrogen and oxygen profiles were derived by solving one-dimensional material balances along the electrode thickness to better evaluate the diffusion overpotentials. Subsequently, using experimental data provided by Ansaldo Green Tech S.p.A., it was possible to tune the formulated I-V curve model. Finally, a sensitivity analysis was conducted to evaluate...
Tipo
info:eu-repo/semantics/masterThesisCollezioni
- Laurea Magistrale [5096]