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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39075| Título: | Numerical modeling of liquid-gas two-phase flow in a hydrogen production cell |
| Título(s) alternativo(s): | Modelagem do escoamento bifásico líquido-gas em célula de produção de hidrogênio |
| Autor(es): | Montagnoli, Giovanni Paolo |
| Orientador(es): | Negrão, Cezar Otaviano Ribeiro |
| Palavras-chave: | Hidrogênio como combustível Água - Eletrólise Escoamento bifásico Simulação (Computadores) Bolhas (Física) Modelos matemáticos Hydrogen as fuel Water - Electrolysis Two-phase flow Computer simulation Bubbles Mathematical models |
| Data do documento: | 5-Set-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | MONTAGNOLI, Giovanni Paolo. Numerical modeling of liquid-gas two-phase flow in a hydrogen production cell. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025. |
| Resumo: | O hidrogênio, quando obtido por eletrólise da água, tem ganhado destaque como meio de armazenamento e transporte de energia limpa, devido ao seu baixo impacto ambiental. No entanto, esse meio de produção ainda corresponde a apenas uma fração da produção global de hidrogênio, principalmente devido aos altos custos e à eficiência limitada do processo. Dentre os diversos fatores que afetam o desempenho do processo, a formação de bolhas gasosas nos eletrodos durante a eletrólise se destaca por influenciar diretamente na queda de tensão ôhmica e na hidrodinâmica do sistema, impactando negativamente a eficiência energética e a taxa de produção de gás. Neste contexto, o presente estudo realiza uma investigação numérica detalhada do escoamento bifásico em eletrolisadores de água alcalina, utilizando simulações CFD para avaliar o impacto das características das bolhas, como o diâmetro, a distribuição e as forças interfaciais, na dinâmica do escoamento. Foram comparados modelos monodispersos e polidispersos, permitindo a análise da sensibilidade do sistema à variação dos parâmetros operacionais, como vazão do eletrólito e taxa de geração de gás. Os resultados demonstraram que a heterogeneidade do tamanho de bolhas afeta significativamente a distribuição da fase gasosa, os padrões de recirculação e a estabilidade da camada de gás no eletrodo, reforçando a importância da escolha de modelos mais representativos da realidade. Além disso, a análise das trajetórias e regiões de aprisionamento de bolhas contribui para o entendimento do tempo de residência do gás e fornece subsídios para estratégias de otimização geométrica e operacional da célula eletrolítica. |
| Abstract: | Hydrogen, when produced through water electrolysis, has gained importance as a clean energy carrier and storage medium due to its low environmental impact. However, this production route still accounts for only a small fraction of global hydrogen production, mainly because of the high costs associated with its limited efficiency. Among the various factors affecting process performance, the formation of gas bubbles at the electrodes during electrolysis stands out for directly influencing the ohmic voltage drop and the system’s hydrodynamics, which negatively impact energy efficiency and gas production rates. In this context, the present study carries out a detailed numerical investigation of gas-liquid two-phase flow in alkaline water electrolyzers, using CFD simulations to assess the impact of bubble characteristics, such as diameter, distribution, and interfacial forces, on flow dynamics. Monodisperse and polydisperse models were compared, allowing for analysis of the system’s sensitivity to variations in operational parameters such as electrolyte flow rate and gas generation rate. The results showed that bubble size heterogeneity significantly affects gas phase distribution, recirculation patterns, and the stability of the gas layer near the electrode, reinforcing the importance of using models that more accurately represent physical reality. Furthermore, the analysis of bubble trajectories and gas entrapment regions contributes to a better understanding of gas residence time and provides a basis for geometric and operational optimization strategies in electrolytic cells. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39075 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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