Simulazione CFD di un Reattore Idrotermale per la Produzione di Elettrodi Nanostrutturati per Elettrolizzatori AEM

Abstract

Gli elettrocatalizzatori, componente critico degli elettrolizzatori, sono prodotti utilizzando varie tecniche e una vasta gamma di materiali. Gli elettrodi a base di metalli non appartenenti al gruppo del platino (non-PGM) sono di particolare interesse grazie al loro potenziale di ridurre i costi e la dipendenza da risorse scarse, pur mantenendo alta l'efficienza nella produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. La tecnica di sintesi idrotermale offre un metodo efficace per produrre elettrocatalizzatori e farli crescere direttamente sugli elettrodi. In questo studio, è stata utilizzata la dinamica dei fluidi computazionale (CFD) per investigare l'influenza delle condizioni idrotermali sulla morfologia del materiale sintetizzato durante il processo. Il reattore, contenente i reagenti in soluzione acquosa e il supporto solido poroso, è stato modellato come un sistema chiuso in cui la convezione naturale è l'unico motore del movimento del fluido. È stato riscontrato che il comportamento del fluido, in particolare la magnitudine della velocità, sotto condizioni idrotermali influenza la struttura del materiale sintetizzato. Velocità più basse sono state associate a una maggiore area superficiale elettroattiva (ECSA). Riferendosi a un risultato sperimentale desiderato, il modello CFD è stato ottimizzato per determinare un intervallo di velocità appropriato basato sulla distribuzione termica. Successivamente, utilizzando un reattore di riferimento (Reattore 0), sono stati simulati altri due reattori—Reattore 1 (diametro D = 100 mm, altezza H = 100 mm) e Reattore 2 (diametro D = 240 mm, altezza H = 100 mm)—per esplorare la fattibilità di scalare il processo. Le simulazioni CFD hanno rivelato che, sebbene l'aumento del diametro del reattore porti a velocità maggiori, generalmente indesiderate, l'intervallo di velocità risultante rimane accettabile dal punto di vista morfologico, in particolare in termini di ECSA. Pertanto, i risultati CFD dimostrano un approccio p

Electrocatalysts, a critical component of electrolyzers, are produced using various techniques and a diverse range of materials. Non-platinum group metal (non-PGM)-based electrodes are of particular interest due to their potential to reduce costs and dependence on scarce resources while maintaining high efficiency in hydrogen production through water electrolysis. The hydrothermal synthesis technique offers an effective method for producing electrocatalysts and directly growing them onto electrodes. In this study, computational fluid dynamics (CFD) was employed to investigate the influence of hydrothermal conditions on the morphology of the synthesized material during the process. The reactor, containing the reactants in water solution and the solid porous support, was modeled as a closed system where natural convection serves as the sole driver of fluid motion. The fluid behavior, particularly velocity magnitude, under hydrothermal conditions was found to impact the structure of the synthesized material. Lower velocities were associated with a higher electroactive surface area (ECSA). By referencing a desirable experimental outcome, the CFD model was optimized to determine an appropriate velocity range based on thermal distribution. Subsequently, using a reference reactor (Reactor 0), two additional reactors—Reactor 1 (diameter D = 100 mm, height H = 100 mm) and Reactor 2 (diameter D = 240 mm, height H = 100 mm) were simulated to explore the feasibility of scaling up the process. The CFD simulations revealed that, although increasing the reactor diameter leads to higher velocity magnitudes which is generally undesirable the resulting velocity range remains acceptable from a morphological perspective, particularly in terms of ECSA. Thus, the CFD results demonstrate a promising approach for scaling up electrocatalyst production by increasing reactor diameter, enabling manufacturing at larger scales.