Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/55504
Title: Modelling of Zinc-Air Fuel Cell and Alkaline Zinc Electrolyzer
Other Titles: การพัฒนาแบบจำลองของเซลล์เชื้อเพลิงสังกะสี-อากาศและอิเลคโทรไลเซอร์สังกะสีแบบอัลคาไลน์
Authors: Woranunt Lao-atiman
Advisors: Soorathep Kheawhom
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
Advisor's Email: Soorathep.K@Chula.ac.th,soorathep.k@chula.ac.th
Issue Date: 2016
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: A zinc-air fuel cell (ZAFC) is attracting widespread interest for electricity generation. Furthermore, ZAFC combining with alkaline zinc electrolyzer is a potential candidate for an energy storage system. This work aims to develop dynamic mathematical models of ZAFC and alkaline zinc electrolyzer and to investigate the effects of operating parameters on the cell performance. The ZAFC was devised as a tubular cell with electrolyte flow inside. Potassium hydroxide (KOH) solution mixed with zinc powder was used as the electrolyte. Stainless steel mesh and nickel foam were used as current collectors of anode and cathode, respectively. Manganese dioxide mixed with graphite used as the catalyst was coated on nickel foam. The electrolyzer cell was devised as electroplating cell with stirred electrolyte. KOH solution mixed with zinc oxide (ZnO) was used as the electrolyte of the electrolyzer. Copper sheet and nickel foam were used as the current collectors of cathode and anode, respectively. The developed models were implemented in MATLAB and validated with experimental data. Good agreement between the predicted data and experimental data was obtained for both ZAFC and electrolyzer. The proposed models were then used to investigate the effects of four parameters: KOH concentration, flow, zincate ion concentration and conductive carbon. By increasing KOH concentration, the cell voltage increased. Nevertheless, at the KOH concentration above 7 M, the cell voltage dropped as the KOH concentration increased because of the adverse effects on ionic conductivity and anodic exchange current density. ZAFC performance improved by using high flow rate. For long-time operation, using higher flow rate could maintain zinc content and electrolyte concentration better than that of lower flow rate. Higher concentration of zincate ion resulted in lower Nernst potential and cell voltage. A Higher amount of ZnO provided lower electrode conductivity and active area of zinc electrode. Adding carbon did not improve cell performance significantly. For the electrolyzer, the highest ionic conductivity was also observed at 7 M. Therefore, this concentration provided lowest cell voltage at high current. KOH concentration lower or greater than 7 M provided higher cell voltage. Below the saturation limit of zincate ion, increasing zincate ion concentration decreased cell voltage. Increasing zincate ion concentration above the saturation limit provided no significant improvement. For current efficiency (C.E.) of zinc electrolyzer, higher current density provided higher C.E. in all conditions. Moreover, increasing concentration of both KOH and zincate ion increased C.E.
Other Abstract: เซลล์เชื้อเพลิงสังกะสีอากาศได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านการผลิตไฟฟ้า ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อทำงานร่วมกับอิเลคโทรไลเซอร์สังกะสีแบบอัลคาไลน์แล้วจะกลายเป็นระบบกักเก็บพลังงานที่มีศักยภาพ งานวิจัยนี้จึงมุ่งที่จะพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แบบพลวัตของเซลล์เชื้อเพลิงสังกะสีอากาศและอิเลคโทรไลเซอร์สังกะสีแบบอัลคาไลน์ รวมไปถึงศึกษาอิทธิพลของพารามิเตอร์ต่างๆที่มีผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงและอิเลคโทรไลเซอร์ โดยในส่วนของการทดลองได้ออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงสังกะสีอากาศเป็นเซลล์แบบท่อ ใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ผสมรวมกับผงสังกะสี เป็นอิเลคโทรไลท์ไหลผ่านภายในเซลล์ ใช้ตาข่ายเหล็กกล้าไร้สนิมและโฟมนิกเกิลเป็นตัวเก็บกระแสของขั้วแอโนดและแคโทดตามลำดับ นำแมงกานีสไดออกไซด์ผสมกับแกรไฟท์เคลือบลงบนโฟมนิกเกิลเพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของฝั่งแคโทด สำหรับอิเลคโทรไลเซอร์สังกะสี ออกแบบให้เป็นเซลล์ไฟฟ้าแบบขั้วจุ่มสองขั้ว ใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ผสมกับสังกะสีออกไซด์เป็นอิเลคโทรไลท์ ใช้แผ่นทองแดงและโฟทนิกเกิลเป็นตัวเก็บกระแสของชั้วแคโทดและแอโนดตามลำดับ วิเคราะห์เส้นโค้งโพลาร์ไรเซชันโดยใช้เครื่องวิเคราะห์แบตเตอรี แบบจำลองพัฒนาขึ้นโดยใช้โปรแกรม MATLAB และทำการตรวจสอบเทียบกับเส้นโค้งโพลาร์ไรเซชันจากผลการทดลอง พบว่าค่าจากแบบจำลองมีความสอดคล้องกับผลการทดลองในระดับที่ยอมรับได้ จากนั้นจึงนำแบบจำลองที่พัฒนามาศึกษาผลการพารามิเตอร์ 4 ตัว ได้แก่ ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ อัตราการไหล ความเข้มข้นของซิงค์เคตไอออน และการเติมคาร์บอนนำไฟฟ้า จากผลการจำลองของเซลล์เชื้อเพลิงสังกะสีอากาศพบว่าการเพิ่มความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ช่วยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ แต่หากเพิ่มความเข้มข้นสูงกว่า 7 โมลาร์จะทำให้ค่าแรงดันไฟฟ้าลดลงเนื่องจาก ค่าความนำไอออนของอิเลคโทรไลท์และค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าแลกเปลี่ยนของขั้วแอโนดมีค่าลดลงเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เกิน 7 โมลาร์ การใช้อัตราการไหลของอิเลคโทรไลท์สูงจะช่วยให้เซลล์สามารถรักษาระดับปริมาณสังกะสีและความเข้มข้นของอิเลคโทรไลต์ให้สูงอยู่ตลอดเวลาได้ ทำให้ประสิทธิภาพในการดำเนินการระยะยาวของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มมากขึ้นอีกด้วย เมื่อเพิ่มความเข้มข้นซิงค์เคตไอออนจะลดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ลง เมื่อเพิ่มปริมาณสังกะสีออกไซด์มากขึ้นจะทำให้ค่าความนำไอออนและพื้นที่ทำปฏิกิริยาของขั้วสังกะสีลดลง การเพิ่มคาร์บอนนำไฟฟ้าไม่ส่งผลพัฒนาต่อประสิทธิภาพเซลล์อย่างมีนัยสำคัญ สำหรับผลของอิเลคโทรไลเซอร์สังกะสีพบว่าแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดอยู่ที่ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ 7 โมลาร์ ซึ่งมีค่าความนำไอออนสูงสุด ส่วนที่ความเข้มข้นค่าอื่นนั้นให้ค่าแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า การเพิ่มความเข้มข้นของซิงค์เคตไอออนทำให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ลดลงในช่วงที่ซิงค์เคตเข้มข้นน้อยกว่าค่าความเข้มข้นอิ่มตัว การเพิ่มค่าความเข้มข้นสูงเกินค่าอิ่มตัวไม่ส่งผลอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับค่าประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้าของอิเลคโทรไลเซอร์ การเพิ่มความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และซิงค์เคตไอออน ทำให้ประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น
Description: Thesis (M.Eng.)--Chulalongkorn University, 2016
Degree Name: Master of Engineering
Degree Level: Master's Degree
Degree Discipline: Chemical Engineering
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/55504
URI: http://doi.org/10.58837/CHULA.THE.2016.1399
metadata.dc.identifier.DOI: 10.58837/CHULA.THE.2016.1399
Type: Thesis
Appears in Collections:Eng - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
5770561221.pdf2.97 MBAdobe PDFView/Open


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