بهبود عملکرد هیدرودینامیکی و حرارتی باتری جریانی آلومینیوم هیدروژن پراکسید با افزودن غشای جداکننده آند و کاتد براساس مطالعات تجربی و عددی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک - گرایش مهندسی دریا، دانشگاه جامع امام حسین(ع)، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکدۀ فنی - مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین(ع)، تهران، ایران

10.22059/ses.2024.376446.1066

چکیده

باتری آلومینیوم - هیدروژن پراکسید، یک باتری جریانی یک‏بارمصرف است. استفاده از این نوع از باتری‏ها در سامانه‏های زیرسطحی به‏ عنوان یک منبع تأمین توان مستقل از هوا (AIP) همواره مورد توجه بوده است. هم‌اکنون نیز با توسعۀ استفاده از انواع زیرسطحی‏های سبک و هوشمند و نیاز به افزایش ماندگاری بیشتر در زیرسطح، به این باتری‏ها توجه ویژه شده است. در این مطالعه به‏ صورت عددی و تجربی اثر جداکننده روی باتری آلومینیوم‌ـ هیدروژن پراکسید بر عملکرد هیدرودینامیکی و حرارتی این باتری بررسی شده است. استفاده از جداکننده به ‏منظور جلوگیری از اتصال کوتاه در باتری، کنترل نرخ خوردگی آلومینیوم و همچنین بهبود عملکرد باتری است. برای شبیه‏سازی عملکرد هیدرودینامیکی و ترموالکتروشیمیایی باتری آلومینیوم‌ـ هیدروژن پراکسید از نرم‏افزار کامسول استفاده شده است. همچنین، از مدل اغتشاشی k-w برای حل معادلات بقای مومنتوم استفاده شده است. به ‏منظور اعتبارسنجی نتایج عددی، آزمایش‌های تجربی انجام شدند. نتایج عددی تطابق خوبی با نتایج تجربی داشتند. با افزایش جریان به دوبرابر در حالت استفاده از جداکننده، متوسط ولتاژ طی زمان از 07/1 ولت در حالت بدون جداکننده به 97/0 ولت در حالت با جداکننده تغییر کرده است. تغییر ولتاژ حدود 10 درصد بوده است، در حالی ‏که جریان به اندازۀ 100 درصد افزایش یافته است. این امر نشان‏دهندۀ بهبود عملکرد باتری و دریافت توان بالاتر هنگام استفاده از جداکننده است. نتایج تجربی و عددی نشان داد استفاده از جداکننده در باتری آلومینیوم‌ـ هیدروژن پراکسید به دلیل پیشگیری از تماس مستقیم میان هیدروژن پراکسید و سطح آلومینیوم عملکرد باتری را بهبود می‏دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect On Improving Hydrodynamic And Thermal Performance Of Primary Al-H2O2 Flow Battery By Adding Separator Membrane Among Anode And Cathode Electrodes Based On Experimental And Numerical Studies

نویسندگان [English]

  • Alireza Pazhan 1
  • Saeed Nahidi 2
1 MSc in mechanical engineering, Imam Hossein Comprehensive University
2 Academic Sttaf, Imam Hossein Comprehensive University
چکیده [English]

Al-H2O2 battery is a primary flow battery used in underwater systems. These batteries are of interest for air-independent power sources in underwater vehicles. Currently, with the development of the use of light and smart underwater vehicles and the need to increase the durability of the submarine, special attention has been paid to these batteries. In this study, the effect of the separator membrance on the Al-H2O2 battery on the hydrodynamic and thermal performance of this battery has been investigated numerically and experimentally. The use of the separator is to prevent short circuit in the battery, to control the corrosion rate of aluminum and also to improve the performance of the battery. Comsol software has been used to simulate the hydrodynamic and thermoelectrochemical performance of the Al-H2O2 battery. Also, k-w turbulence model is used to solve momentum conservation equations. In order to validate the numerical results, experimental tests were performed. The numerical results were in good agreement with the experimental results. By increasing the current to two times in the case of using the separator, the average voltage has changed over time from 1.07 V in the case without the separator to 0.97 V in the case with the separator. The voltage change was about 10%, while the current increased by 100%. This indicates improved battery performance and higher power draw when using the separator. Experimental and numerical results showed that the use of a separator in the Al-H2O2 battery improves the performance of the battery due to the prevention of direct contact between the H2O2 and the aluminum surface.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Al-H2O2 flow battery
  • separator
  • hydrodynamic performance
  • thermal performance
  • temperature rise rate

مراجع

  1. Palanisamy S, Shanmugasundaram L, Chenniappan S. Energy Storage Systems for Smart Power Systems. Artif Intell Smart Power Syst. 2023;99–114.
  2. Feng Y, Wang R chu, Peng C qun. Influence of aging treatments on microstructure and electrochemical properties in Mg–8.8 Hg–8Ga (wt%) alloy. Intermetallics. 2013;33:120–5.
  3. Wilcock WSD, Kauffman PC. Development of a seawater battery for deep-water applications. J Power Sources. 1997;66(1–2):71–5.
  4. Hasvold Ø, Lian T, Haakaas E, Størkersen N, Perelman O, Cordier S. CLIPPER: a long-range, autonomous underwater vehicle using magnesium fuel and oxygen from the sea. J Power Sources. 2004;136(2):232–9.
  5. Liu Q, Yan Z, Wang E, Wang S, Sun G. A high-specific-energy magnesium/water battery for full-depth ocean application. Int J Hydrogen Energy. 2017;42(36):23045–53.
  6. Zhang J, Liu H, Huang J, Liu Y, Fang H, Zhang Q, et al. In situ synthesis of AgCl@ Ag plates as binder-free cathodes in a magnesium seawater-activated battery. J Electrochem Soc. 2022;169(5):50502.
  7. Deng S hao, Yuan L jun, Chen Y bo, Wang B. Electrochemical synthesis and performance of polyaniline/MnO2/graphene oxide composites cathode for seawater battery. Appl Surf Sci. 2022;581:152261.
  8. Lv Y, Xu Y, Cao D. The electrochemical behaviors of mg, mg–Li–Al–Ce and mg–Li–Al–Ce–Y in sodium chloride solution. J Power Sources. 2011;196(20):8809–14.
  9. Lee B, Paek E, Mitlin D, Lee SW. Sodium metal anodes: emerging solutions to dendrite growth. Chem Rev. 2019;119(8):5416–60.
  10. Lin D, Liu Y, Cui Y. Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries. Nat Nanotechnol. 2017;12(3):194–206.
  11. Qin R, Wang Y, Yao L, Yang L, Zhao Q, Ding S, et al. Progress in interface structure and modification of zinc anode for aqueous batteries. Nano Energy. 2022;98:107333.
  12. Vlaskin MS, Shkolnikov EI, Bersh A V, Zhuk AZ, Lisicyn A V, Sorokovikov AI, et al. An experimental aluminum-fueled power plant. J Power Sources. 2011;196(20):8828–35.
  13. Li Q, Bjerrum NJ. Aluminum as anode for energy storage and conversion: a review. J Power Sources. 2002;110(1):1–10.
  14. Yang S, Knickle H. Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles. J Power Sources. 2002;112(1):162–73.
  15. Chen J, Xu W, Wang X, Yang S, Xiong C. Progress and Applications of Seawater-Activated Batteries. Sustainability. 2023;15(2):1635.
  16. Kim Y, Lee W geun. Primary Seawater Batteries. In: Seawater Batteries: Principles, Materials and Technology. Springer; 2022. p. 37–90.
  17. Hasvold O, Johansen KH. The alkaline aluminium hydrogen peroxide semi-fuel cell for the HUGIN 3000 autonomous underwater vehicle. In: Proceedings of the 2002 Workshop on Autonomous Underwater Vehicles, 2002. IEEE; 2002. p. 89–94.
  18. Kongsberg Maritime AS. Autonomous Underwater Vehicle–AUV: The HUGIN Family. 2009.
  19. Rao BML, Hoge WH, Zakrzewski J, Shah S, Hamlen RP, Halliop W. Aluminum-sea water battery for undersea vehicle. In: Proceedings of the 6th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology,. IEEE; 1989. p. 100–8.
  20. Marsh CL, Licht SL, Matthews DE. Dual flow aluminum hydrogen peroxide battery. Google Patents; 1995.
  21. Shin DM, Son H, Park KU, Choi J, Suk J, Kang ES, et al. Al2O3 ceramic/nanocellulose-coated non-woven separator for lithium-metal batteries. Coatings. 2023;13(5):916.
  22. Cheon J, Park SH, Kim Y, Yim T. Aluminum oxide and ethylene bis (diphenylphosphine)‐incorporated poly (imide) separators for lithium‐ion batteries. Bull Korean Chem Soc. 2022;43(9):1103–10.
  23. Ding L, Li D, Du F, Zhang D, Zhang S, Xu R, et al. Fabrication of Nano-Al2O3 in-situ coating lithium-ion battery separator based on synchronous biaxial stretching mechanism of β-crystal polypropylene. Ind Eng Chem Res. 2022;61(30):11034–45.
  24. Yang LY, Cao JH, Liang WH, Wang YK, Wu DY. Effects of the separator MOF-Al2O3 coating on battery rate performance and solid–electrolyte interphase formation. ACS Appl Mater Interfaces. 2022;14(11):13722–32.
  25. Klein S, Wrogemann JM, van Wickeren S, Harte P, Bärmann P, Heidrich B, et al. Understanding the Role of Commercial Separators and Their Reactivity toward LiPF6 on the Failure Mechanism of High‐Voltage NCM523|| Graphite Lithium Ion Cells. Adv Energy Mater. 2022;12(2):2102599.
  26. Rajagopalan Kannan DR, Terala PK, Moss PL, Weatherspoon MH. Analysis of the separator thickness and porosity on the performance of lithium-ion batteries. Int J Electrochem. 2018;2018.
  27. Lei T, Tian YM, Wang GL, Yin JL, Gao YY, Wen Q, et al. An alkaline Al–H2O2 semi‐fuel cell based on a nickel foam supported Co3O4 nanowire arrays cathode. Fuel Cells. 2011;11(3):431–5.
فصلنامه سیستم های انرژی پایدار
دوره 3، شماره 2
فروردین 1403
صفحه 113-138

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار