Modelagem multiescala e validação experimental da dinâmica interfacial em sistemas de eletrólise da água: explorando fenômenos locais inerentes das reações eletroquímicas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Leite, Gabriel Wosiak
Orientador(a): Souza, Ernesto Chaves Pereira de lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Química - PPGQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Hidrogênio
Eletrólise
Simulação
CFD
Bolhas
pH Interfacial
Palavras-chave em Inglês:
Hydrogen
Electrolysis
Simulation
Bubbles
Interfacial pH
Área do conhecimento CNPq:
CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICA
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22257
Resumo: This thesis addresses the efficiency challenges in hydrogen production via water electrolysis, focusing on the coupled effects of gas bubble evolution and interfacial pH variations during alkaline electrolysis. Multiscale computational models were developed, combining the Finite Element Method (FEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD) to simulate bubble dynamics and interfacial pH distribution, with experimental validation using filming techniques and chronopotentiometric analysis to explore energy consumption during electrolysis. The results showed that pulsed-current operation can mitigate local pH variations; however, maintaining stable pH conditions under high current densities remains a challenge. Additionally, an asymmetric electrolysis cell configuration was proposed and validated, demonstrating a reduction in local pH gradients and up to a 17% improvement in electrolysis efficiency. This work opens new perspectives for developing more efficient electrolyzers, contributing to sustainable and economically viable hydrogen production.
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Multiscale computational models were developed, combining the Finite Element Method (FEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD) to simulate bubble dynamics and interfacial pH distribution, with experimental validation using filming techniques and chronopotentiometric analysis to explore energy consumption during electrolysis. The results showed that pulsed-current operation can mitigate local pH variations; however, maintaining stable pH conditions under high current densities remains a challenge. Additionally, an asymmetric electrolysis cell configuration was proposed and validated, demonstrating a reduction in local pH gradients and up to a 17% improvement in electrolysis efficiency. This work opens new perspectives for developing more efficient electrolyzers, contributing to sustainable and economically viable hydrogen production.Esta tese aborda os desafios da eficiência na produção de hidrogênio por eletrólise da água, com ênfase nos efeitos acoplados da formação de bolhas de gás e das variações de pH interfacial durante a eletrólise alcalina. Foram desenvolvidos modelos computacionais multiescala, combinando o Método de Elementos Finitos (FEM) e Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), para simular a dinâmica de bolhas e a distribuição de pH interfacial, com validação experimental utilizando técnicas de filmagem e cronopotenciométricas que exploram o consumo energético durante a eletrólise. Os resultados mostraram que a operação em corrente pulsada pode mitigar as variações de pH local porém mante-lo longe de condições de transição em altas correntes é ainda um desafio. Além disso, foi proposta e validada uma configuração de célula de eletrólise assimétrica, evidenciando uma redução nos gradientes de pH local e até 17% de aumento na eficiência da eletrólise. Este trabalho abre novas perspectivas para o desenvolvimento de eletrólisadores mais eficientes, contribuindo para a produção sustentável e economicamente viável de hidrogênio.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)2018/24383-0engUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQUFSCarhttps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.02.195https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133194https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107577https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.01.241Attribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessHydrogenElectrolysisSimulationBubblesInterfacial pHCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICAHidrogênioEletróliseSimulaçãoCFDBolhaspH InterfacialModelagem multiescala e validação experimental da dinâmica interfacial em sistemas de eletrólise da água: explorando fenômenos locais inerentes das reações eletroquímicasMultiscale modeling and experimental validation of nterfacial dynamics in water electrolysis systems: exploring inherent local phenomena of electrochemical reactionsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese de Doutorado_Wosiak.pdfTese_GWosiak_Corrigida.pdfapplication/pdf17450951https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/305d4794-b79a-4276-b9f4-91dafa51ab32/download6ba595a5d4177ab10b2c77d11d34daf0MD56trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8899https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8e310e01-9b92-4fbc-8220-0d31835c6313/downloada9d22297011505482f72aba2008335b7MD53falseAnonymousREADTEXTTese de Doutorado_Wosiak.pdf.txtTese de Doutorado_Wosiak.pdf.txtExtracted texttext/plain100808https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/020964c9-da29-4791-b544-817fb3dd5a24/downloadffc0323fb38e6c7c6e480255f439a773MD57falseAnonymousREADTHUMBNAILTese de Doutorado_Wosiak.pdf.jpgTese de Doutorado_Wosiak.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg5791https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/091ff08f-d86a-49f2-95e0-9bdcea8a7c39/downloadfa16d6374d3e8c68435138156eeb3a90MD58falseAnonymousREAD20.500.14289/222572025-10-04T03:04:55.152437Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/Attribution-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22257https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-10-04T03:04:55Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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