Nükleer hidrojen üretimi ve üretilen hidrojenin polimer elektrolit membranlı yakıt hücrelerinde uygulaması
Nuclear hydrogen production and application on polimer electrolyte membran fuel cell of produced hydrogen
Yazar: GÜLŞAH ÖZIŞIK
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN YAPICI
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Nükleer enerji = Nuclear energy ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Bu tez çalışmasında, füzyon sürücülü bir sistemin fertil fisil yakıt dönüşüm potansiyelinin yanı sıra reaktörden açığa çıkan ısı ve elektrik ile farklı hidrojen üretim metotları kullanılarak hidrojen üretim potansiyeli araştırıldı. Bu amaç doğrultusunda hidrojen üretim metotlarından nükleer enerjisinde uygulaması olan buhar metan reformasyonu, yüksek sıcaklıklı elektroliz ve termokimyasal yöntemlerinden S-I çevrimi seçildi. Füzyon sürücülü sistemin en önemli parametrelerinden enerji çoğalım ve enerji kazanım oranları hidrojen üretim miktarı ile ilişkilendirilerek formülize edildi. Enerji çoğalım ve enerji kazanım oranları arttıkça reaktörden üretilen fisil yakıt miktarının yanı sıra üretilen hidrojen miktarının da arttığı görülmektedir. Ayrıca üretim metotlarından yüksek sıcaklıklı elektroliz diğer üretim metotlarına göre daha verimlidir. Üretilen hidrojenin kullanım alanlarından biri de yakıt hücreleridir. Ayrıca tez kapsamında Polimer Elektrolit Membranlı yakıt hücresinin performans karakterizasyonu yapılarak tek ve ikili fazlar için ayrı ayrı matematiksel modeller oluşturuldu. Tek fazda Nafyon membran ve PBI membran için ayrı ayrı oluşturulan sayısal modeller literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılarak modellerin doğruluğu ispatlandı. Her iki modelde de yakıt hücresinin çalışma koşullarına göre çözümler gerçekleştirildi. Elde edilen sonuçlara göre hücrenin çalışma sıcaklığı, nafyon membran için bağıl nem, PBI membrana yapılan asit doping seviyesi, reaktantların basıncı ve hızı arttırıldığı zaman her iki hücrenin de performansının arttığı görülmektedir.

Abstract:
In this thesis, hydrogen production potential via various hydrogen production methods using the heat released from a Fusion Driving Systems investigated as well as fertile fissile transmutation potential. For this purpose, steam methane reforming, high temperature electrolysis and S-I cycle from termo-chemical process are selected as hydrogen production method having application in nuclear energy. Energy multiplication and Energy gain factors which are very important parameters of Fusion Driving System are associated with the amount of hydrogen production. As energy multiplication and energy gain factors are increased, the amount of hydrogen production rises as well as the amount fissile fuel production. Furthermore, high temperature electrolysis is much more efficiency respect to the other hydrogen production methods.One of the usage areas of produced hydrogen is fuel cells. In this thesis, also, the characterization of Polymer Electrolyte Membrane fuel cell is performed. Mathematical methods for single and two phases are created separately. In single phase, improved numerical models for Nafion membrane and PBI membrane are validated with the experimental data given in literature. Both models bring out that according to operating conditions of fuel cell. The numerical results, when cell temperature, relative humidity of Nafion membrane, acid doping levels of PBI membrane, pressure and velocity of reactants are increased fuel cell performance increases.