Please use this identifier to cite or link to this item:
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorYottana Khunatorn-
dc.contributor.advisorKonlayutt Punyawudho-
dc.contributor.advisorWatchapon Rojanaratanangkule-
dc.contributor.authorAdisorn Thomyaen_US
dc.description.abstractThis research focused on the performance of two-phase flow rate reactant cathode electrode to provide advantages due to low pressure of hydrochloric reactant which was sold locally, and safety to use despite an armament property of chlorine gas. The numerical method was used to understand characteristics of methods of the proposed model by simulation with COMSOL and to study the effects of membrane thickness and optimal temperature on the performance of the proton exchange membrane of Redox Flow Battery. The experimental characteristics, including humidity, temperature, current density, flow rate, concentration, electrode synthesis and cell performance, were obtained in operation to validate the numerical results. Hence, the investigation was beneficial as it determined the suitable performance of two-phase flow configuration for the Redox flow battery with low-cost material and helped to understand in depth on the operational characteristics of redox flow battery using hydrochloric acid as a reactant which served as a new model of two-phase flow for cathode. The objectives of the study were as follows: (i) To develop a prototype of redox flow battery using hydrochloric acid as a reactant. (ii) To examine the characteristic and operation of redox flow battery using hydrochloric acid as a reactant including the following parameters: humidity, temperature, current density, flow rate, concentration, membrane synthesis and cell performance.This research study was divided into four parts. The first part focused on cathode's two-phase flow performances of the hydrochloric acid reactant that was affordable,locally sold and provided low-pressure. The experimental characteristics including current density and cathode flow rate were set to 100 - 400 ml/min while the concentration rate was set to 1 - 3 molarity and the reaction area ranged between 25 and 49 cm?. Electrode synthesis and cell performance were obtained in operation to validate the numerical results with comparison between two substances, Pt/C and RuO2. The best performance was achieved at concentration of 2 M and a flow rate of 400 ml/min with a current density and power density exceeding 179 mA/cm2 and 3 mW/om , respectively. The limiting current density and power density for reaction area 49 cm? was about 123 mA/cm2 and 98.1 mW/cm, respectively, at 57.9% voltage efficiency. An increased average voltage efficiency for reaction area 25 cm2 was about 64.5%. The Pt / C side Colleen to RuO2 catalyst loading resulted in decreasing average voltage efficiency (6.6 The second part of research aimed to study the functional groups of active electrocatalysts for the chlorine-side electrode. Catalyst synthesis involved utilizing (RuxCoy)304, Co and Ru contents with different Ru/Co molar ratio of 1:9, 2:8, 3:7, 4:6, 5:5. Conditions of catalytic air furnace temperature ranged from 350 C to 500 *C. The XRD patterns of catalyst samples confirmed the ruthenium oxide and cobalt oxide phases in the products. The EDS spectra detected ruthenium, cobalt and oxygen in the prepared catalysts. The SEM and TEM images showed more dispersion of catalyst ruthenium oxide on cobalt oxide support surface. Characterization using XRD revealed ~57 nm mean diameter of Co3O4 particle sizes, while TEM technique gave ~85.93 nm mean diameter of (Ruo.I Coo9)304 particle size. The test results of catalyst properties using XRD, SEM, EDS, TEM, SAD techniques showed corresponding results. HCI was utilized for RFB by spraying the catalyst material in a range of 0.5-1 M on GDL, the chlorine-side, carbon paper and carbon cloth. With carbon paper that had better discharge voltage efficiency, the 0.5 M treatment generated greatest current density and power density. The catalyst material of 0.5 M on carbon paper created the maximum power density of 19.95 mW/cm2 and current density of 28 mA/cm- at the voltage efficiency of 69.85%. Regarding from the first and second parts of the research, the investigation would be beneficial to determine the suitable performance of two-phase flow configuration for redox flow battery with low-cost materials and to gain in-depth understanding of operation characteristics of a redox flow battery using hydrochloric acid as a reactant for new modeling of two-phase flow in cathode. The third part brought about the development of redox flow battery to replace other types of batteries which worked in a close system, to allow the active substance capable of working for a lifetime while being circulated inside the cell. Due to the ability to increase e power and potential difference performance of the liquid substance, with removable, easy to find, and low-price advantages, hydrochloric acid (HCL) was selected as a reactant used for the redox flow battery in this research. The objective was to study the effects of the optimum temperature of the cathode humidification tank on the performance of redox flow battery. Hydrochloric acid was used as a substrate for testing the humidification tank at temperatures of 5 5 , 6 5 *C and room temperature. The polarization curve was created and the battery redox flow capacity was determined under the optimum operating temperature of the humidification tank. The results showed that for the humidified tank temperature of 65ㆍC, the performance of redox flow battery cells was the highest when it had an electric power of 0.86 watts and a maximum current of 1.35 amperes, resulting in a voltage efficiency of 47.06%. When the standard voltage was 0.6 volts, it was found that the humidification tank temperature of 6 5C provided more power and current at The humidification of the tank compared to 55 'C and the room temperature (0.48, 0.46 watts and 0.75, 0.7 amperes, respectively). The fourth part of research focused on several factors of Proton Exchange Membrane Redox Flow Battery (PEMRFB), one of the most promising energy technologies at the present time. Models of different phenomena occurring in PEMRFB played an important role in this development and performance, which depended on characteristics of the membrane, gas diffusion layer (GDL), catalyst and operating parameters such as operating pressure, cell operation temperature, relative humidity, mass flow rate of feed gases, channel geometries and design of the stack. Recent studies on the compilation of factors affecting durability and performance of PEMRFB indicated that the performance of fuel cell strongly depended on the performance of its membrane. In this research, a three-dimensional PEM Redox Flow Battery model was developed and to investigate the effects of membrane geometry on cell performance. The numerical results indicated that having a thinner membrane corresponded to higher current density, and hydrogen and chlorine consumption in accordance with high hydrochloric production. Finally, the numerical results of the proposed CFD model were compared with the available experimental data which represented good agreement. Redox Flow Battery model was used to analyze operation at a constant temperature and the membrane thickness effect on the performance in a single Redox Flow Battery. According to the three constant temperature of 328,333 and 338 K, it was found that PEMRFB had the highest cell potential at 333 K with a maximum power density of 339.95 mW/cm- and current density of 354.12 mA/cm2. According to the three membrane thicknesses of Nafion 115,117 and 212, Nafion 212 was found to be the best operating thickness for the PEMRFB under the specified inlet operating conditions. At 3330K, the Redox Flow Battery required the optimal relative humidity in the membrane and cathode diffusion layer, which allowed both chlorine and hydrogen proton diffusion to the cathode catalyst layer. The detailed numerical results provided an understanding of the electrochemistry and transport phenomena in a PEM Redox Flow Battery. This model could be used as an effective CFD tool for development aiming to reduce cost for Redox Flow Battery design and optimization.The experimental results in Chapter 3 can answer the two objectives of the study, 1.) To develop a prototype of redox flow battery using hydrochloric acid as a reactant, 2.) To examine characteristics and operation of redox flow battery using hydrochloric acid as a reactant, following these parameters: humidity, temperature, current density, flow rate, concentration, membrane synthesis and cell performance. It was found that 2 M hydrochloric acid together with 400 ml/min flow rate gave the highest efficiency, and using Pt/C catalyst had better performance than RuO2. In Chapter 4, it was found that the synthesized catalyst had the potential as (Ruo. Coo.9)304. Chapter 5 reveals that 65 C is the optimum operating temperature for redox flow batteries. Chapter 6 shows the results of the model indicating that the best performance was obtained at 333K using Nafion 212.en_US
dc.publisherChiang Mai : Graduate School, Chiang Mai Universityen_US
dc.titleCharacterization of the Chlorine-Hydrogen redox flow battery for electrical energy storageen_US
thailis.controlvocab.lcshEnergy storage-
thailis.controlvocab.lcshElectrical engineering-
thailis.controlvocab.lcshHydrochloric acid-
thesis.description.thaiAbstractงานวิจัยนี้จะทำการศึกษาที่สมรรถนะการทำงานของรีดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ โดยใช้กรดไฮโดร คลอริกเป็นสารตั้งต้นในด้านแคโทด ในการสร้างแบบจำลองวิธีการระเบียบวิธีเชิงตัวโดยจะใช้ โปรแกรม COMSOL สร้างแบบจำลองโดยทำการศึกษาผลกระทบของความหนาของเมมเบรนและ อุณหภูมิที่เหมาะสมในการทำงานที่ส่งผลต่อสมรรถนะการทำงานและประสิทธิภาพของรีดอกซ์โฟลว์ แบตเตอรี่ ในส่วนของการทคลองทำการศึกษาลักษณะการทำงานที่เหมาะสมของตัวแปรต่างฯๆ อังนี้ ความชื้น อุณหภูมิ ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้ อัตราการไหล ความเข้มข้น การสังเคราะห์ตัวเร่ง ปฏิกิริยา แล้วทำการวิเคราะห์หาประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์และ ทำการเปรียบเทียบกับ แบบจำลองที่สร้างขึ้น ดังนั้นในงานวิจัยนี้ใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นสารตั้งต้น ที่สามารถหาได้ง่ายใน ท้องถิ่นและมีราคาถูกเหมาะกับการเลือกมาใช้งน สำหรับเทกโนโถยีกักเก็บพลังงานแบบรีดอกซ์ โฟลว์แบตเตอรี่ โดยใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นสารตั้งต้นถือว่าเป็นเทคโน โลยีใหม่ที่ยังไม่ค่อยมีนักวิจัย ทำ วัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้มีด้วยกันสองข้อคือ (ก) เพื่อพัฒนาเครื่องต้นแบบสำหรับเทคโนโถยีกัก เก็บพลังงานไฟฟ้าแบบรีดอกโฟลว์แบตเตอรี่ โดยใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นสารตั้งต้น (ข) เพื่อ ตรวจสอบลักษณะและการทำงานของรีดอกซ์ โฟลว์แบตเตอรี่ โดยใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นสารตั้งต้น โดยภายใต้สภาวะของตัวแปรดังต่อไปนี้: ความชื้น อุณหภูมิ ความหนาแน่นกระแส อัตราการไหล ความเข้มข้น การสังเคราะห์เมมเบรน และประสิทธิภาพของเซลล์เป็นต้น งานวิจัยนี้มีผลการศึกษาแบ่งออกได้เป็นสี่ส่วนด้วยกันดังนี้ ส่วนที่หนึ่ง งานวิจัยชิ้นนี้มุ่งเน้นไป ที่ประสิทธิภาพการไหลสองสถานะของสารตั้งต้นในด้านแคโทดที่ใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นสารตั้งต้นที่หาซื้อได้ตามท้องตลาดรากาไม่แพงและการทำงานที่แรงดันต่ำ ดังนั้นมีความปลอดภัยต่อการใช้ งาน ได้กำหนดเงื่อนไขในการทดลองดังนี้ อัตราการไหลด้านแคโทดในช่วง100 - 400 มิลลิลิตรต่อ นาที ความเข้มข้นของกรดไฮโดคลอริกที่ 1 - 3 โมล และ ใช้พื้นที่ทำปฎิกิริยาขนาด 25 และ 49 ตาราง เซ็นติเมตรและได้ทำการเปรียบเทียบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้สังเคราะห์ขึ้นระหว่าง Pt/C และ RuO2 พบว่า ที่ให้ประสิทธิภาพดีที่สุดคือที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นด้านแค โทดเท่ากับ 2 โมล และที่อัตราการ ไหล 400 มิลลิลิตรต่อนาทีและมีที่ค่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าเท่ากับ 179 มิลลิแอมแปร์ต่อ ตารางเซ็นติเมตร ที่ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้เท่ากับ 3 มิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ต่อมาผล ของขนาดพื้นที่ทำปฏิกิริยาดังนี้ ที่ขนาดพื้นที่ทำปฎิกิริยาขนาด 49 ตารางเซนดิเมตรพบว่า มีค่าความ หนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ 123 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซ็นติมตร ที่ค่าความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า สูงสุดที่ 9.1 มิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ประสิทธิภาพของความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ร้อยละ 57.9 ประสิทธิภาพของความต่งศักย์ลดลงเมื่อพื้นที่ทำปฏิกิริยาลดลงเท่ากับ 25 ตารางเซนติเมตร ร้อยละ 57.35 และผลของการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาด้านขั้วแอโนดหรือสารคลอลีน โดยทำการสังเคราะห์ RuO2 เทียบกับ Pt/C พบว่าการใช้ RuO2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาประสิทธิภาพของความต่างศักย์ลดลงร้อย ละ 6.6 อย่างไรก็ตาม ในการหาวิธีการ ใช้งานของรีดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ โดยใช้กรดไฮโครคลอริกเป็น สารตั้งต้นที่เหมาะสมกับประสิทธิภาพและสมรรถนะการทำงาน อย่างไรก็แล้วแต่ก็ยังถือว่าเป็นสาร ตั้งต้นที่สามารถหาได้ง่ายและในการใช้งานมีความดันต่ำถือว่ามีความปลอดภัย งานวิจัยนี้เพื่อให้เกิด ความเข้าใจในเชิงลึกกี่ยวกับลักษณะการทำงานของรีดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ โดยใช้กรดไฮโดรคลอริก เป็นสารตั้งต้นสำหรับ รูปแบบใหม่ของการไหลสองสถานะ ในด้านแคโทดส่วนที่สอง งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการสังเคราะห์ของตัวเร่งปฏิกิริยาด้านคลอรีน โดยทำการสังเคราะห์ตัวเร่งคือ (RuxCOy)304 โดยใช้อัตราส่วนของโมลระหว่าง Ru/Co ดังนี้ 1:9,2:8,3 7 4:6 และ 5:5 ในการสังเคราะห์ตัวเร่งกำหนดอุณหภูมิการเผาในบร รยากาศที่ 350 องศา เซลเซียส ถึง 500 องศาเซลเซียส โดยใช้ผลของการทำ XRD เพื่อยืนยันว่าสารตัวเร่งปฏิกิริยาที่ สังเคราะห์ขึ้นมีองค์ประกอบของสารรูทีเนียมออกไซด์ และ โคบอลต์ออกไซด์ในการทำ EDS เพื่อ ตรวจสอบหาร้อยละ โดยมวลของสารรูที่เนียม โคบอลต์ และออกซิเจน และทำการทดลอง SEM และ TEM เพื่อดูการกระจายตัวของสารรูทีเนียมออกไซด์ และ โคบอลต์ออกไซด์ และหาขนาดของตัวเร่ง ปฏิกิริยาที่ทำการสังเคราะห์ขึ้น ผลการทดสอบโดยวิธี XRD พบว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ อนุภาค Co304 มีขนาคเฉลี่ยประมาณ 57 นาโนเมตร การทดสอบโดยวิธีการ TEM พบว่า ขนาคเส้น ผ่านศูนย์กลางของอนุภาคของสาร (Ru0.1,Co0.9)3O4 มีขนาดประมาณ 85.93 นาโนเมตร ผลการทดสอบ คุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้เทคนิค XRD, SEM, EDS, TEM, SAD แสดงผลไปในทางเดียวกันการทดสอบประสิทธิภาพของเซลล์โดยจะทำการเปรียบเทียบตัวแปรดังต่อไปนี้ความเข้มข้นของกรด ไฮโดรคลอลิกที่ 0.5 และ 1 โมล สังเคราะห์ตัวเร่งปฎิกิริยาบน GDL สองแบบคือ Carbon pape และ Carbon cloth ผลการทคสอบพบว่าที่ Carbon pape ให้ผลประสิทธิภาพดีกว่า Carbon cloth และที่ ความเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอลิกที่ 0.5 โมล ดีกว่า 1 โมล ดูจากค่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า และค่าความหนาแน่ของกำลังไฟฟ้าสูงสุดส่วนที่สาม งานวิจัยนี้มีเป็นการพัฒนารีดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ เพื่อทดแทนแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ ซึ่งมีการทำงานเป็นแบบระบบปิด สารทำงานสามารถทำงานได้ตลอดอายุการใช้งานและ สารทำงาน วนอยู่ภายในเซลล์ ด้วยความสามารถในการเพิ่มกำลังฟฟ้าและประสิทธิภาพของความต่างศักย์ โดยรี ดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ ที่เลือกในการดำเนินงานวิจัยเป็นชนิดที่มีสารทำงานเป็นกรดไฮโดรคลอริก (HCL) เนื่องจาก กรดไฮโครคลอริก มีสถานะอยู่ในรูปของสารละลายของเหลว ซึ่งสามารถขนย้ายได้ ง่าย หาได้ง่าย และมีราคาถูก วัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของอุณหภูมิที่เหมาะสมของถังให้ความชื้น ด้านแคโทดต่อสมรรถนะของรีดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ โดยใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นสารตั้งต้นสำหรับ ทำการทดสอบอุณหภูมิถังให้ความชื้นที่มีอุณหภูมิ 55,65 องศาเซลเซียส และ อุณหภูมิห้อง ทำการ สร้างกราฟ โพลาไรเซชันและหาค่าสมรรถนะรีดอกซ์ โฟลว์แบตเตอรี่ ภายใต้อุณหภูมิการทำงานที่ เหมาะสมของถังให้ความชื้น ผลการทคสอบแสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิของอุณหภูมิถังให้ความชื้น เท่ากับ 65 องศาเซลเซียสจะมีสมรรถนะการทำงานของเซลล์รีดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ดีที่สุด มี กำลังไฟฟ้าเท่ากับ 0.86 วัตต์ และกระแสไฟฟ้าสูงสุดเท่ากับ 1.35 แอมแปร์ ที่ประสิทธิภาพของ ศักย์ไฟฟ้เท่ากับ 47.06 % และที่ค่าความต่างศักย์มาตรฐานใช้งานที่ 0.6 โวลต์พบว่า ที่อุณหภูมิของถัง ให้ความชื้นเท่ากับ 65 องศาเซลเซียส ให้ค่กำลังไฟฟ้และกระแสไฟฟ้ามากกว่า ที่อุณหภูมิของถังให้ ความชื้นเท่ากับ 55 และ อุณหภูมิห้องดังนี้ 0.48, 0.46 วัตต์ และ 0.75, 0.7 แอมแปร์ ตามลำดับส่วนที่สี่ Proton Exchange Membrane Redox Flow Battery (PEMRFB) ได้กลายเป็นหนึ่งใน เทคโนโลยีการกักเก็บพลังานที่มีแนวโน้มเป็นไปได้มากที่สุดในปัจจุบัน มีหลายปัจจัยที่จะผลักดัน ให้เทคโนโลยีนี้เกิดขึ้น การสร้างแบบจำลองก็ถือว่าเป็นมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาสมรรถนะให้ดี ขึ้น สมรรถนะการทำงานของ Proton Exchange Membrane Redox Flow Battery ขึ้นอยู่กับลักษณะ ของเมมเบรน ชั้นการแพร่ของก๊าซ ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวแปลการทำงาน เช่น ความดันในการใช้งาน อัตราการไหลของสารทำงาน อุณหภูมิ ความชื้น รูปทรงเป็นต้น การศึกษาล่าสุดเกี่ยวกับการรวบรวม ปัจจัยที่ส่งผลต่อความทนทานและสมรรถณะของ PEMRFB ระบุว่าสมรรถณะของเซลล์ขึ้นอยู่กับ ขนาดของเมมเบรนเป็นอย่างมาก ในบทความนี้ ได้มีการพัฒนาแบบจำลอง PEM Redox Flow Battery สามมิติ และใช้เพื่อตรวจสอบผลกระทบของความหนาของเมมเบรนต่อสมรรถนะ ของเซลล์และอุณหภูมิของเซลล์มีผลต่อสมรรถนะของเซลล์ ผลของแบบจำลองที่สร้างขึ้นพบว่าเมมเบรนที่บางกว่า จะให้ค่าสมรรถนะของเซลล์ที่ดีกว่า สอดคล่องกับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้ที่สูงขึ้น ส่งผลให้ การใช้สารไฮโครเจนและคลอรีนเป็นสารตั้งต้นแล้วผลิต กรดไฮโครคลอริกได้สูงขึ้นตาม สุดท้ายผล ของทำการทดลองเทียบกับแบบจำลองพบว่าข้อมูลในแบบจำลองทำได้ดีกว่ามาก แต่แบบ จำลองถูก นำมาใช้ในการวิเคราะห์การออกแบบจำลองที่ทำงานที่อุณ หภูมิคงที่และความหนาของเมมเบรนที่ ส่งผลต่อสมรรถนะการทำงานของเซลล์รีดอกซ์โฟลว์แบตเตอรี่ ผลการทคสอบที่อุณหภูมิคงที่สามค่า ดังนี้ 328,333 และ 338 องศาเควิน พบว่า ที่ 333 องศาเควิน มีสมรรถนะและประสิทธิภาพดีกว่า อุณหภูมิอื่นโดยมีค่าความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูงสุดเท่ากับ 339.95 มิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ที่ ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าเท่ากับ 354.12 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร ผลการทดสอบที่ ขนาดความหนาของเมมเบรน โดยใช้ Nafion สามเบอร์ดังนี้ 115,117และ 212 พบว่าที่ Nafion 212 มี ขนาดบางที่สุดส่งผลให้มีสมรรถนะและประสิทธิภาพดีกว่าแบบอื่นภายใด้สภาวะที่ระบุไว้ ผลลัพธ์ที่ ได้จากการสร้างแบบจำลองช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ทางไฟฟ้เคมีและการทำงานของ PEM Redox Flow Battery แบบจำลองนี้ใช้เป็นเครื่องมือของ CFD ที่มีประสิทธิภาพในการสร้างแบบจำลอง ในการพัฒนา Redox Flow Batteryเพื่อลดต้นทุนในการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพในการ ทำงานต่อไปen_US
Appears in Collections:ENG: Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
580651033 อดิศร ถมยา.pdf12.34 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy

Items in CMUIR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.