پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 9 |
| تعداد شمارهها | 447 |
| تعداد مقالات | 5,734 |
| تعداد مشاهده مقاله | 8,047,193 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 6,547,393 |
تحلیل سیستم تولید هیدروژن سبز به کمک الکترولایزر غشا پلیمری و انتقال آن به خط لوله گاز شهری | ||
| نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر | ||
| مقاله 2، دوره 56، شماره 12، 1403، صفحه 1609-1628 اصل مقاله (1.51 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2025.23403.7758 | ||
| نویسندگان | ||
| محمد رضا زاینده رودی؛ ابراهیم افشاری* ؛ مهدی مشرف دهکردی | ||
| گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران | ||
| چکیده | ||
| هیدروژن سبز میتواند از مهمترین انرژیهای قابل استفاده در مصارف خانگی، حملونقل و صنعت باشد. از روشهای تولید هیدروژن، استفاده از الکترولایزر غشا پلیمری با صفحات فتوولتائیک است. به منظور عدم ذخیرهسازی هیدروژن و کربنزدایی، تزریق هیدروژن به خط لوله گاز شهری راهکاری موثر است. در مطالعه حاضر، تزریق هیدروژن به خط لوله گاز شهری بررسی شده و برای اینکه دبی هیدروژن تزریق شده کمتر از 10 درصد دبی گاز باشد؛ نیازمند به تولید 20/69 مول بر ثانیه هیدروژن است. بر اساس مدلسازی ریاضی، برای تولید هیدروژن مورد نیاز، باید از 3230 سل با مساحت 2500 سانتیمترمربع استفاده شود. فشار هیدروژن تزریقی 17/23 بار است. برای رساندن هیدروژن به این فشار، از یک کمپرسور الکتروشیمیایی با 1600 سل و مساحت 2500 سانتیمترمربع استفاده میشود. توان مصرفی الکترولایزر و کمپرسور برای تزریق 9/5 درصد هیدروژن در زمان حداکثر تابش خورشیدی و با احتساب تلفات، 6/64 مگاوات است. برای تولید این توان با سامانه فتوولتائیک، 12991 پنل STP550S-C72/Vmh احتیاج است. با در نظر گرفتن فشار الکترولایزر برابر با 17/23 بار، کمپرسور میتواند حذف شود و از الکترولایزر فشار بالا استفاده شود. افزایش فشار در ورودی کمپرسور منجر به کاهش توان مصرفی و در نتیجه افزایش بازده انرژی آن میشود | ||
| کلیدواژهها | ||
| انرژی هیدروژن؛ الکترولایزر غشا پلیمری؛ کمپرسور الکتروشیمیایی؛ سامانه فتوولتائیک؛ خط لوله گاز شهری | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Analysis of the hydrogen production system using a polymer membrane electrolyzer and its transfer to the natural gas pipeline | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Mohamadreza Zayandehroodi؛ Ebrahim Afshari؛ Mahdi Mosharaf Dehkordi | ||
| Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| One of the methods for producing hydrogen is using a polymer membrane electrolyzer with photovoltaic panels. To avoid hydrogen storage and achieve decarbonization, injecting hydrogen into the urban gas pipeline is an effective solution. This study examines the injection of hydrogen into the urban gas pipeline and determines that to keep the injected hydrogen flow rate below 10% of the gas flow rate, a production of 20.69mole/s of hydrogen is required. According to mathematical modeling, to produce the necessary hydrogen, 3,230 cells with an area of 2,500cm2 should be used. The injection pressure of hydrogen is 17.23 bar. To achieve this pressure, an electrochemical compressor with 1,600 cells and an area of 2,500cm2 is used. The power consumption of the electrolyzer and compressor for injecting 9.5% hydrogen during maximum solar radiation, accounting for losses, is 6.64MW. To generate this power with a photovoltaic system, 12,991 STP550S-C72/Vmh panels are needed. Considering the electrolyzer pressure of 17.23 bar, the compressor can be eliminated, allowing the use of a high-pressure electrolyzer. | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| Hydrogen Energy, PEM Electrolyzer, Electrochemical Compressor, Photovoltaic System, Urban Gas Pipeline | ||
| مراجع | ||
|
[1] S. S. Kumar, V. Himabindu, Hydrogen production by PEM water electrolysis–A review. Materials Science for Energy Technology, 2(2019) 442-454. [2] G. Sdanghi, G. Maranzana, A. Celzard, V. Fierro, Towards non-mechanical hybrid hydrogen compression for decentralized hydrogen facilities. Energies, 13(2020) 3145. [3] R. S. El-Emam, I. Khamis, Advances in nuclear hydrogen production: Results from an IAEA international collaborative research project. International Journal of Hydrogen Energy, 44(2019) 19080-19088. [4] R. W. Howrah, M. Z. Jacobson, How green is blue Hydrogen? Energy Science Engineering, 9(2121) 1676-1687. [5] J. Zou, N. Han, J. Yan, Q. Feng, Y. Wang, Z. Zhao, J. Fan, L. Zeng, H. Li, H. Wang, Electrochemical compression technologies for high-pressure hydrogen: Current status, challenges and perspective. Electrochemist. Energy Review, 3(2020) 690-729. [6] S. Atitlan, S. Park, M. M. El-Halwagi, M. Atitlan, M. Moore, R. B. Nielsen, Green hydrogen as an alternative fuel for the shipping industry. Current Opinion in Chemical Engineering, 31(2021) 100668. [7] N. Briguglio, F. Panto, S. Siracusano, A. S. Aric, Enhanced performance of a Pt Co recombination catalyst for reducing the H2 concentration in the O2 stream of a PEM electrolysis cell in the presence of a thin membrane and a high differential pressure. Electrochemical Acta, 344(2020) 136153, 2020. [8] C. Chen, T. F. Fuller, The effect of humidity on the degradation of Nafion membrane. Polymer Degradation Stability, 94(2009) 1436-1447. [9] F. M. Nafchi, E. Baniasadi, E. Afshari, N. Javani, Performance assessment of a solar hydrogen and electricity production plant using high temperature PEM electrolyze and energy storage. International Journal of Hydrogen Energy, 43(2018) 5820-5831. [10] G. Zhao, E. R. Nielsen, E. Troncoso, K. Hyde, J. S. Romeo, M. Diderich, Life cycle cost analysis: A case study of hydrogen energy application on the Orkney Islands. International Journal of Hydrogen Energy, 44(2019) 9517-9528. [11] R. Strobel, M. Oszcipok, M. Fasil, B. Rohland, L. Jörissen, J. Garche, The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PEM fuel cell design, Journal of Power Sources. 105(2002) 208–215. [12] W. Xuemei, H. Gaohong, Y. Lu, L. Xiangcun, Electrochemical hydrogen pump with SPEEK/CRPSSA semi-interpenetrating polymer exchange membrane for H2/CO2 separation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2(2014) 75-79. [13] C. Casati, P. Longhi, L. Zanderighi, F. Bianchi, Some fundamental aspects in electrochemical hydrogen purification/compression. Journal of Power Sources, 180(2008) 103-113. [14] M. Lee, X. Huang, An improved hydrophobic coating for the porous gas diffusion layer in a PEM-based electrochemical hydrogen pump to mitigate anode flooding. Electrochemistry Communications, 117(2020) 106777. [15] A. Witkowski, A. Rusin, M. Majkut, K. Stockcar, Analysis of compression and transport of the methane/hydrogen mixture in existing natural gas pipelines. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 166(2018) 24-34. [16] Z. Abdin, C. J. Webb, E. M. Gray, Modelling and simulation of a proton exchange membrane (PEM) electrolyze cell. International Journal of Hydrogen Energy, 40(2015) 13243-13257. [17] R. García-Valverde, N. Espinosa, A. Urbina, Simple PEM water electrolyzer model and experimental validation. International Journal of Hydrogen Energy, 37(2012) 1927-1938. [18] G. N. B. Durmus, C. O. Copan, Y. Devrim, A review on the development of the electrochemical hydrogen compressors. Journal of Power Sources, 494(2021) 229743. [19] M. Bampaou, K. D. Panopoulos, A. I. Papadopoulos, P. Seferlis, S. Voutetakis, An electrochemical hydrogen compression model. Chemical Engineering Transaction, 70(2018) 1213-1218. [20] M. Schalenbach, G. Tjarks, M. Carmo, W. Lueke, M. Mueller, D. Stolten, Acidic or alkaline? Towards a new perspective on the efficiency of water electrolysis. Journal of. Electrochemical. Society, 163(2016) F3197. [21] T. Ioroi, K. Yasuda, Z. Siroma, N. Fujiwara, Y. Miyazaki, Thin film electrocatalyst layer for unitized regenerative polymer electrolyte fuel cells. Journal of Power Sources, 112(2002) 583-587. [22] N. V. Dale, M. D. Mann, H. Salehfar, A. M. Dhirde, T. Han, Modeling and analysis of electrochemical hydrogen compression. In Proceedings of the NHA Annual Hydrogen Conference, Sacramento Convention Center, Sacramento, USA, 2017 [23] Y. S. K. De Silva, P. H. Middleton, M. L. Kolhe, Performance comparison of mono-polar and bi-polar configurations of alkaline electrolysis stack through 3-D modelling and experimental fabrication. Renewable Energy, 149(2020) 760-772. [24] M. D. Dashtebayaz, A. E. Moghadam, S. I. Pishbin, M. Pourramezan, Investigating the effect of hydrogen injection on natural gas thermo-physical properties with various compositions. Energy, 167(2019) 235- 245. [25] U. Akyol, D. Akal, A. Durak, Estimation of power output and thermodynamic analysis of standard and finned photovoltaic panels. Energy Sources, 3(2023) 8438-8457. [26] F. Moradi Nafchi, E. Afshari, E. Baniasadi, Numerical simulation and performance analysis of solar hydrogen production using anion exchange membrane electrolyzer and blending with natural gas. Energy Conversion and Management, 299(2024) 117874-117894. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 733 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 545 |
||