23745

MEC2 250

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك - تبديل انرژي

فني و مهندسي

1403/05/24

135 ص.

ابراهيم افشاري , مهدي مشرف دهكردي

هيدروژن سبز , سامانه فتوولتائيك , الكترولايزر غشا پليمري , كمپرسور الكتروشيميايي و مكانيكي , خط لوله گاز شهري

هيدروژن مي‌تواند يكي از حائز اهميت‌ترين انرژي‌هاي قابل استفاده در مصارف خانگي، وسايل حمل و نقل و همچنين در صنعت باشد. همچنين يكي ديگر از كاربرد‌هاي هيدروژن تزريق به خط لوله گاز شهري به منظور كربن‌زدايي است. در اين پژوهش براي تزريق هيدروژن به مقدار 5/9 درصد از جرم مولي گاز طبيعي، به خط لوله گاز شهري نيازمند 69/20 مول بر ثانيه هيدروژن مي‌باشد. الكترولايزر غشا پليمري به دليل داشتن بازده بالا نسبت به ساير الكترولايزر‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. براساس مدل‌سازي رياضي الكترولايزر براي توليد هيدروژن مورد نظر، نيازمند 3230 سلول با مساحت 2500 سانتي‌مترمربع در چگالي جريان 5/0 آمپر بر سانتي‌متر مربع است. فشار هيدروژن توليدي براي تزريق به خط لوله گاز شهري برابر با 23/17 بار مي‌باشد. براي رساندن هيدروژن توليدي به فشار مورد نياز، از كمپرسور الكتروشيميايي استفاده مي‌شود. براي افزايش فشار نيازمند 1600 سل با مساحت 2500 سانتي‌مترمربع براي كمپرسور الكتروشيميايي در چگالي جريان 1 آمپر بر سانتي‌متر مربع است. توان مصرفي الكترولايزر و كمپرسور الكتروشيميايي براي تزريق 5/9 درصد هيدروژن در 3 ژوئن (حداكثر تابش خورشيدي شهر اصفهان) با احتساب تلفات برابر با 64/6 مگاوات است كه توسط سامانه فتوولتائيك يا 12991 پنل STP550S-C72/Vmh توليد مي‌شود. در مرحله بعد به بررسي توليد هيدروژن در متوسط و حداقل تابش خورشيدي در 12 نوامبر و 3 ژانويه پرداخته شد كه امكان تزريق 6 و 5/3 درصد هيدروژن را فراهم مي‌سازد. فشار كاري بر عملكرد الكترولايزر و كمپرسور بسيار موثر است. با در نظر گرفتن فشار الكترود كاتد الكترولايزر برابر با 23/17 بار كه برابر با فشار مورد نياز خط لوله گاز شهري است؛ عملاً كمپرسور حذف مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهد كه افزايش فشار منجر به افزايش توان مصرفي الكترولايزر و كاهش بازده انرژي و اگزرژي آن مي‌باشد. افزايش فشار در سمت ورودي كمپرسور الكتروشيميايي (الكترود آند) منجر به كاهش توان مصرفي مي‌شود. جايگزيني كمپرسور الكتروشيميايي با مكانيكي و مقايسه اين دو باهم نيز در ادامه بحث تأثير فشار مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان مي‌دهد در يك فشار مشخص، توان مصرفي كمپرسور مكانيكي بسيار بالاتر از توان مصرفي كمپرسور الكتروشيميايي مي‌باشد. در ادامه تأثير دما، ضخامت غشا و محتواي آب غشا نيز بر عملكرد سيستم بررسي شد. نتايج نشان مي‌دهد كه افزايش دما منجر به كاهش ولتاژ كلي الكترولايزر و كمپرسور شده و در نتيجه توان مصرفي كاهش و راندمان انرژي و اگزرژي بالا مي‌رود. افزايش ضخامت غشا سبب افزايش افت ولتاژ اهميك در الكترولايزر و كمپرسور شده و در نتيجه راندمان انرژي و اگزرژي كاهش مي‌يابد. از آن طرف افزايش محتواي آب، منجر به كاهش افت ولتاژ اهميك و پايين آمدن توان مصرفي مي‌شود.

green hydrogen , polymer membrane electrolyzer , electrochemical and mechanical compressor , urban gas pipeline , solar energy , photovoltaic system

Analysis of green hydrogen production system based on polymer membrane electrolyzer and its transfer to city gas pipeline

مهندسي مكانيك

Hydrogen can be one of the most important sources of energy that can be used for household purposes, transportation and also in industry. Also, another application of hydrogen is injection into the city gas pipeline for decarbonization. In this research, to inject 9.5% of hydrogen into the city gas pipeline, it is necessary to produce 20.69 moles of hydrogen per rock. Polymer membrane electrolyzer has been used due to its high efficiency compared to other electrolyzers. The mathematical modeling system of the electrolyzer for the desired hydrogen production requires 3230 cells with an area of 2500 cm2 and a current density of 0.5 ampere/cm2. The pressure of hydrogen produced for injection into the municipal gas pipeline is equal to 17.23 bar. To receive the hydrogen produced at the required pressure, it is made from the electrochemical compressor. To increase the pressure, 1600 cells with an area of 2500 square centimeters are required for the electrochemical compressor at a current density of 1 ampere per square centimeter. The power consumption of the electrolyzer and electrochemical compressor for injecting 5.9% of hydrogen on June 3 (the maximum solar radiation of Isfahan city) including losses is equal to 6.64 megawatts, which is produced by the photovoltaic system or 12991 STP550S-C72/Vmh panels. In the stage, hydrogen production was investigated in average and minimum solar radiation on November 12 and January 3, which makes it possible to inject 6 and 3.5 percent of hydrogen after. Working pressure is very efficient on the operation of electrolyzer and compressor. Considering the pressure of the cathode electrode of the electrolyzer is equal to 17.23 bar, which is equal to the required pressure of the municipal gas pipeline. The compressor is practically removed. The results show that increasing the pressure increases the power consumption of the electrolyzer and decreases its energy efficiency and exergy. Increasing the pressure on the inlet side of the electrochemical compressor (anode electrode) reduces energy consumption. Replacing the electrochemical compressor with a mechanical one and comparing the two with each other, the effect of pressure was also investigated. The results show that at a certain pressure, the energy consumption of the mechanical compressor is much higher than the energy consumption of the electrochemical compressor. Next, the effect of temperature, membrane thickness and membrane water on the performance of the system was also investigated. The results show that the increase in temperature causes a decrease in the overall voltage of the electrolyzer and compressor, and as a result, the power consumption and energy efficiency and exergy increase. Increasing the thickness of the membrane increases the ohmic voltage drop in the electrolyzer and compressor, and as a result, the energy efficiency and exergy decrease. As the volume of water increases, the ohmic voltage drop decreases and the power consumption decreases.

5