PEM elektrolizörün sayısal modellemesi ve deneysel doğrulanması

Sera gazlarının zararlı çevresel etkilerinin azaltılması ve küresel ısınmayla mücadelede, geleneksel fosil yakıtlardan sürdürülebilir-temiz yakıtlara geçiş oldukça elzem bir hale gelmiştir. Dünyada bol miktarda bulunan ve enerji içeriği yüksek olan hidrojen, yenilenebilir enerji kaynaklarından üretildiğinde sürdürülebilir ve çevre dostu bir yakıt olarak nitelendiriliyor. Bu bağlamda taşımacılık, sanayi, enerji, havacılık ve uzay gibi birçok sektörde gelecek vaad ettiği söylenebilir. Yenilenebilir enerjiye geçişle birlikte suyun elektrolizini gerçekleştiren elektrolizörlere olan talep önemli ölçüde artmıştır. Suyun elektrolizi, sudan geçen bir elektrik akımı vasıtası ile suyun oksijen ve hidrojen gazına ayrışması işlemidir. Su elektrolizörleri saf sudan en az %99.9 saflıkta hidrojen üretmek için yaygın olarak kullanılan elektrokimyasal cihazlardır. Elektrolizörler kullanılan elektrolit çeşidine göre sınıflandırılmaktadır (katı veya sıvı elektrolit). Sıvı elektrolit yaygın olarak alkali elektrolizörlerde, katı elektrolit ise genellikle PEM elektrolizörlerde ve katı-oksit elektrolizörlerde kullanılmaktadır. Mevcut teknolojiler arasında Polimer Elektrolit Membranlı (PEM) elektroliz hücreleri, diğer elektroliz hücresi türlerine kıyasla yüksek akım yoğunluklarında çalışabilme ve daha düşük özgül enerji tüketimi ile bilinmektedir. Ancak PEM elektrolizörünün performansından tam olarak yararlanmak için dayanıklılığını, güvenilirliğini ve çalışma koşullarını iyileştirmek önemlidir. PEM elektroliz hücre performansı, elektroliz hücresi tasarımı ve montajı, çalışma koşulları ve bipolar plaka tasarımı gibi birçok faktöre bağlıdır. Mevcut tez çalışması, maksimum akım ve hidrojen üretim hızı için sistemin performansını etkileyen PEM elektrolizörün kritik çalışma koşullarını bulmaya odaklanmaktadır. Bu tez 3 ana bölümden oluşmaktadır: Comsol Multiphysics kullanarak elektroliz hücresinin anot bipolar plakasındaki karmaşık yapıdaki çift fazlı akışın modellenmesi ve literatürdeki referans bir çalışma ile doğrulanması, deneysel elektroliz hücresinin performans testleri, Taguchi ve yanıt yüzeyi yöntemi (RSM) ile elektrolizörün optimum çalışma koşullarının belirlenmesi, ANSYS Mechanical'da sonlu elemanlar yöntemini kullanarak deneysel hücrenin mekanik davranışının incelenmesi ve son olarak simülasyon sonuçlarının deneysel sonuçlarla doğrulanması. Tezin ilk bölümünde, PEM elektrolizörünün anot bipolar plakasının üç boyutlu, kararsız sayısal modeli geliştirilmiş, literatürden paralel akış alanına sahip bir PEM elektrolizörün deneysel sonuçlarıyla doğrulanmış, akış kanallarındaki çift fazlı akış karakterize edilmiş, son olarak giriş ve çıkış manifoldları arasındaki kanalların sayıları değiştirilerek basınç, hız ve oksijen gaz kabarcıklarının dağılımları simüle edilmiştir. Sayısal sonuçlar, kanal sayısı N=4'ten N=14'e arttığında basınç düşüşünün azaldığını ve oksijen gazı fraksiyonunun arttığını göstermiştir. Anot bipolar plakada giriş ve çıkış manifoldlarındaki hızın merkez bölgeye kıyasla daha yüksek olduğu gözlenmiş ve akış hızı dağılımının üniform olmadığı ortaya çıkmıştır. PEM elektroliz hücrelerinin performansı, çalışma ve tasarım koşullarının optimize edilmesiyle önemli ölçüde artırılabilir. Çalışmanın deneysel kısmında öncelikle 9 cm² aktif alana sahip PEM elektrolizör hücresi toplanmış, hücre performansını önemli ölçüde etkileyen şartlandırma işlemi tamamlandıktan sonra 40-80°C sıcaklık aralığında performans testleri gerçekleştirilmiş ve sonuçlar kaydedilmiştir. PEM elektrolizör hücre performansını iyileştirmek ve çalışma koşullarının optimum kombinasyonunu belirleyebilmek için deney sistemine Taguchi yöntemi uygulanmıştır. Taguchi yöntemi deney süresini ve maliyetlerini önemli ölçüde azaltan mükemmel bir optimizasyon aracıdır. Sıcaklık, su akış hızı ve hücre voltajı deney sisteminin bağımsız değişkenleri, akım ve hidrojen akış hızı ise bağımlı değişkenleridir. Deneysel sonuçlar, maksimum hücre performansının 80°C sıcaklıkta, 16.5 ml/dk su debisinde ve 2.4 V hücre voltajında elde edildiğini göstermektedir. Optimum çalışma koşullarında hidrojenin alt ve üst ısıl değerlerine göre hesaplanan verim değerleri sırasıyla %59.6 ve %70.4'tür. Optimizasyon sonuçlarının üç boyutlu yüzey ve pertürbasyon grafikleriyle görselleştirilmesi farklı bir optimizasyon aracı ile gerçekleştirilmiştir. Benzer şekilde kontrol faktörlerinin performans üzerindeki etkilerini ve optimum seviyelerini analiz etmek için Design-Expert 13 (deneme sürümü) yazılımı kullanılmış, yanıt yüzey yöntemi (RSM) ile optimize edilmiştir. RSM sonuçları hücre voltajı, sıcaklık ve hücre voltajı-sıcaklık arasındaki etkileşimin PEM elektrolizör hücre performansını önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir. PEM elektroliz hücresinin ömrünü etkileyen temel sorunlardan biri de MEÜ ve gaz difüzyon tabakasının (GDL) mekanik bozulmasıdır. Elektrolizör hücre bileşenlerinde meydana gelen herhangi bir hasar kütle transferi sürecini ve ardından hücre performansını olumsuz yönde etkileyecektir. Sıkıştırma kuvveti arttıkça hücre performansı artar ancak optimum değeri aştığında GDL geçirgenliği azalır ve hücre performansı düşebilir. Bu tezde PEM elektrolizör montajı için kullanılan sıkıştırma torkunun hücre bileşenleri üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. Hücre performansını önemli ölçüde etkileyebilecek olan su akış hızı, sıkıştırma torku ve hücre voltajı deneysel sistemin girdi faktörleri olarak tanımlanmış, RSM ile optimize edilmiştir. İstatistiksel sonuçlar, su akış hızının hidrojen akış hızı üzerinde önemli bir faktör olduğunu ve hücre voltajı, tork ve hücre voltajı-tork etkileşiminin akımı önemli ölçüde etkilediğini gösterdi. Tüm performans testleri 80°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon sonuçlarından PEM elektrolizörünün maksimum akım ve hidrojen akış hızları sırasıyla 23.821 A ve 189.972 ml/dk olarak elde edilmiştir. Deneysel PEM elektrolizörün üç boyutlu model geometrisi SpaceClaim yazılımında geliştirilmiş, herbir bileşenin malzeme özellikleri programa tanımlanmıştır. Modelin mesh yapısı hex-dominant mesh yöntemiyle ANSYS Mechanical Mesh'te oluşturulmuş, daha sonra sayısal analiz için matematiksel model ANSYS Mechanical'a aktarılmıştır. PEM elektrolizör anot uç plakasına 3, 6.5 ve 10 Nm'lik üç farklı sıkıştırma torku uygulanmış, MEÜ üzerinde üretilen von Mises gerilme ve deformasyonlar sonlu elemanlar yöntemiyle (FEM) sayısal olarak analiz edilmiştir. PEM elektrolizör kalbi olarak nitelendirilen MEÜ yerine basınç ölçüm filmleri yerleştirilmiş, üç farklı sıkıştırma torkunda test edilmişlerdir. Son olarak, sayısal ve deneysel sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmış, sonuçların birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Basınç ölçüm filmlerin merkezinde kırmızı yoğunluğun oldukça az olduğu, bipolar plaka kanal tasarımının da daha az görünür olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum basınç ölçüm filminin merkezinde basınç değerlerinin oldukça düşük bir seviyede olduğuna işaret etmektedir. Sıkıştırma torkları sırasıyla 3, 6.5 ve 10 Nm olduğunda, MEÜ üzerinde üretilen maksimum gerilme değerleri sırasıyla 34.891, 75.597 ve 116.3 MPa'dır.