Numerical modelling of Zinc chloride cell

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Location:
P1 Ark TKK

Authors

Date

2009

Department

Kemian laitos

Major/Subject

Fysikaalinen kemia

Mcode

Kem-31

Degree programme

Language

en

Pages

x + 90 s. + liitt. 19

Series

Abstract

Tässä työssä mallinnettiin yksi- ja kaksiulotteista sinkkikioridikennoa elementtimenetelmällä, sekä tutkittiin mallin parametrien vaikutusta purkukäyrään. Kennon purkua mallinnettiin vakiokuormalla ja galvanostaattisesti, ja simulaatioita verrattiin kokeellisiin tuloksiin. Lisäksi rakennettiin malli eri komponenttien sähkönjohtavuuksien vaikutuksesta kennon sisäiseen vastukseen. Numeerinen mallintaminen on tärkeää, koska simuloimalla pariston suorituskykyä rajoittavia tekijöitä voidaan tutkia nopeasti, ja mallia voidaan hyödyntää pariston optimoinnissa. Lisäksi mallinnus antaa tietoa muuttujista, joita on vaikea mitata käytännössä, esimerkiksi elektrolyytin konsentraatiosta ja pHsta anodilla. Johtokykysimulaatioissa sähkövirran kulkua pariston läpi mallinnettiin Ohmin lailla. Koko kennon malli perustui huokoisten elektrodien teoriaan, jossa elektrodi kuvataan jatkuvien kiinteän faasin ja liuosfaasien seoksena kiinteän faasin spesifisen pinta-alan ja huokoisuuden avulla. Aineensiirto elektrolyytissä kuvattiin Nernst-Planck-yhtälöillä ja elektrodikinetiikka Butler-Volmer-yhtälöillä. Katodilla huomioitiin lisäksi protonien diffuusio mangaanidioksidipartikkelien sisään, ja malli ratkaistiin elementtimenetelmällä käyttäen COMSOL Multiphysics -ohjelmaa. Mallia parannettiin huomioimalla sinkkihydroksikloridisakan saostuminen, epätasaisesta kontaktista eri kerrosten välillä aiheutuva filmivastus, sekä MnOOH:n disproportionaatio. Johtokykysimulaatioiden mukaan pariston sisäinen vastus aiheutui pääasiassa anodista ja virrankerääjästä. Sinkkikloridipariston mallin mukaan katodin parametreilla on suurin vaikutus purkukäyrään, kun taas muut parametrit ovat lähes merkityksettömiä. Myös elektrolyytin konsentraatiolla ja pH:lla on pieni vaikutus. Mangaanidioksidipartikkelien koolla on suuri merkitys protonien diffuusion ollessa hidas. Partikkelikoon kasvaessa kennojännite alenee ja purkuaika lyhenee. Toisaalta diffuusiokertoimen ollessa suurempi mangaanidioksidipartikkelin koolla ei ole suurta merkitystä. Katodin huokoisuutta pienennettäessä kennojännite ja purkuaika kasvavat. Samoin käy, kun katodin paksuutta kasvatetaan. Elektrolyyttikonsentraation ja pH:n nousu alentaa kennojännitettä ja pidentää purkausaikaa. 2D-simulaatioissa todettiin, että kontaktien sijainnilla ei ole vaikutusta pariston suorituskykyyn. Pariston sisäistä vastusta voidaan pienentää parantamalla anodin ja virrankerääjän sähkönjohtavuutta. Anodin parametreilla ei ole vaikutusta, kunhan anodilla on riittävästi sinkkiä. Suurin vaikutus pariston suorituskykyyn on katodilla. Paristoa voidaan parantaa pienentämällä mangaanidioksidipartikkelien kokoa sekä katodin huokoisuutta.

Description

Supervisor

Kontturi, Kyösti

Thesis advisor

Murtomäki, Lasse

Keywords

modelling, mallintaminen, zinc chloride cell, sinkkikloridikenno, finite element method, elementtimenetelmä

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120555692

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK