Numerical modeling of multiphase flow in membraneless electrolyzers

Abstract

O hidrogênio representa um importante vetor energético para enfrentar os desafios da sustentabilidade e da transição para fontes limpas. O método de decomposição da água por meio de fontes renováveis corresponde à produção de hidrogênio verde, ou seja, hidrogênio e oxigênio gasosos gerados a partir da água como subprodutos. O uso de membrana eleva significativamente o custo de operação e de comercialização dos eletrolisadores para a produção de H2, devido à necessidade de materiais de alto custo. No entanto, os eletrolisadores sem o uso de membranas ou de qualquer tipo de separador de compartimentos de gases permitem a produção de hidrogênio com maior viabilidade econômica e escalabilidade industrial. Em relação ao desempenho do eletrolisador sem membrana, este está intrinsecamente ligado ao comportamento do fluxo bifásico, em que bolhas dispersas se encontram no meio contínuo (eletrólito). Essa dissertação foca em três estudos de simulação numérica desenvolvidos para eletrolisadores sem membrana. O primeiro investiga, com base em validação, a comparação entre dois modelos multifásicos ? o modelo de mistura e o modelo Euler-Euler ?, ambos presentes na literatura e realizados em regime permanente. Como resultado, mostrou-se que ambos os modelos multifásicos apresentaram boa precisão para eletrolisadores operando em baixas densidades de corrente. No entanto, para uma faixa de densidade de corrente mais alta, o modelo Euler-Euler apresentou uma discrepância maior em relação aos dados experimentais, devido à maior necessidade de um termo-fonte adicional na equação da quantidade de movimento para tratar as estruturas turbulentas. Por outro lado, o modelo de mistura foi capaz de prever melhor o comportamento da fase gasosa devido ao modelo proposto de fechamento das velocidades relativas entre as fases e, principalmente, à dependência da velocidade de autodispersão em relação ao diâmetro da bolha. No segundo estudo, inspirado na otimização de problemas termohidráulicos e/ou de aquecimento por fontes discretas, propõe-se uma nova disposição dos eletrodos, controlada por uma variável ß, na qual se considera, de forma parcial ou total, a aplicação da injeção de gás no canal, o que implica diferentes espessuras de camada limite de gás e uma distribuição não uniforme de gás no eletrolisador. Camadas de limite de gás mais espessas são formadas quando o eletrodo inferior está ativo. Esses comportamentos são justificados pelo modelo implementado para a variação do tamanho da bolha em função da densidade de corrente. Por fim, o último estudo complementa os dois primeiros, com o objetivo de mitigar o risco de cruzamento de gás presente em eletrolisadores sem membranas. Aqui, a produção de gás é maximizada em função do espaçamento entre os eletrodos, e analisam-se os efeitos do cruzamento dos gases, dados um número de Reynolds (Re) e um diâmetro de bolha adimensionais fixos.

Abstract: Hydrogen is establishing itself as an important energy vector to address the challenges of sustainability and the transition to clean sources. The method of decomposing water using renewable sources leads to the production of green hydrogen, i.e., gaseous hydrogen and oxygen generated from water as a byproduct. The use of membranes significantly increases the operating costs of commercializing electrolyzers for the production of H2 due to the need for expensive materials. However, electrolyzers without membranes or any type of gas compartment separator allow for hydrogen production with greater economic viability and industrial scalability. In this context, the performance of a membraneless electrolyzer is intrinsically linked to the behavior of the two-phase flow where dispersed bubbles meet in the continuous medium (electrolyte). This work explores three numerical simulation studies developed for membraneless electrolyzers. First, investigates, based on validation, the comparison of two multiphase models presented in the literature, performed under steady-state conditions. As a result, it was shown that both multiphase models presented good accuracy for electrolyzers operating at low current densities. However, for a higher current density range, the Euler-Euler model demonstrated a greater discrepancy with experimental data due to the greater need for an additional source term in the momentum equation to account for turbulent structures. On the other hand, the mixture model was able to better predict gas-phase behavior due to the proposed model of closure of relative velocities between phases, and especially the dependence of the self-dispersion velocity on bubble diameter. The second study, inspired by optimization processes for maximizing heat transfer density through the discrete heat source approach, proposes a new electrode arrangement controlled by a ß variable that partially or fully considers the application of gas injection in the channel, resulting in different plume thicknesses and a non-uniform gas distribution in the electrolyzer. Thicker gas plumes are obtained when the bottom electrode is active. These behaviors are justified by the implemented model, which explains the variation in bubble size with current density. Finally, the last study complements the first two in an attempt to mitigate gas crossover in membraneless electrolyzers. Here, gas production is maximized relative to spacing, and the effects of gas crossover are analyzed, given a fixed Reynolds number (Re) and dimensionless bubble diameter.