PEM elektrolizörlerde kullanılan anot gaz difüzyon elektrotlarında akış davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of flow behavior in anode gas diffusion electrodes used in PEM electrolyzers
Yazar: SÜLEYMAN UYSAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH KAYA
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Akış modellemeleri = Flow modellings ; Hidrojen = Hydrogen ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Membranlar = Membranes ; Sayısal modelleme = Numerical modelling

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynakları ile entegre edildiği zaman sıfır emisyon ile yeşil hidrojen üretebilen Polimer Elektrolit Membran (PEM) elektrolizörlerin ana bileşenlerinden birisi gaz difüzyon elektrotu (GDE)'dur. Bu tez çalışmasında özgün tasarımlı kare, daire, eşkenar üçgen eşkenar dörtgen geometrili desene sahip GDE'lerin 100 ml/dk, 200 ml/dk ve 300 ml/dk debide akış davranışları sayısal ve deneysel olarak irdelenmiştir. Basınç düşüşü ve akış görselleştirme deneylerinde kare geometrili desene sahip GDE en iyi performansı sergilemiştir. Deneysel sonuçlar, ANSYS yazılımında çok fazlı akış
şartlarında yapılan hesaplamalar ile doğrulanarak birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak kare GDE 100 ml/dk için akışın %38,96 daha az basınç kaybı ile çıkışa daha hızlı yöneldiği gözlenmiştir. Akış görselleştirme deneylerinde hücre içerisine mürekkep gönderilmiştir. Kare GDE'in 100 ml/dk debide 0,437 sn. ile diğer GDE'lere göre hücreyi en hızlı şekilde doldurduğu tespit edilmiştir. Sayısal çözüm sonuçlarına göre %16 gözenekliliğe sahip filtre kağıdının incelendiği durumda, kare geometrili GDE'nin sıvı fazı %94,8 oranında başarıyla taşıdığı belirlemiştir. Bu yüzden kare geometrili GDE'in
deneysel ve sayısal sonuçlarında özellikle 25 cm2'lik bir PEM elektrolizörde, 100 ml/dk debi değerinde düşük basınç kaybı ve homojen akış dağılımı sağlayarak en iyi hücre performansının oluşturabileceği gözlenmiştir. Sonuç olarak anot GDE için kare delikli geometriye sahip bir desen kullanılarak hücre içi su transferinin iyileştirilebileceği, oluşan oksijen gazını ve tüketilemeleyen suyun hücre dışına daha hızlı ulaştırılması sağlanarak PEM elektrolizörlerde performans artışı sağlanabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
The gas diffusion electrodes (GDEs) are one of the main components of Polymer Electrolyte Membrane (PEM) electrolyzers, which can produce green hydrogen with zero emission when integrated with renewable energy sources. In this thesis, the flow behavior of GDEs with uniquely designed square, circle, rhombic rhombus geometric patterns were investigated numerically and experimentally at 100 ml/min, 200 ml/min, and 300 ml/min flow rates. In pressure drop and flow visualization experiments, square geometry patterned GDE showed the best performance. Experimental results were compared with each other by validating them in multi-phase flow conditions with ANSYS software. As a result, it was observed that the flow was directed to the outlet side faster with 38.96% less pressure loss in square GDE geometry at 100 ml/min flow rate. In flow visualization experiments, an ink solution was sent into the cell for different flow rates. At 100 ml/min
flow rate of ink solution, square GDE geometry was filled the cell by 0.437 sec. which was determined as fastest geometry compared to other GDEs. According to the numerical solution results, when 16% porosity filter paper was examined, it was concluded that the square geometry GDE was 94.8% rate successfully carried the liquid phase to all geometry. Therefore, in the experimental and numerical results of the square geometry GDE, especially in a 25 cm2 PEM water electrolyzer, it was observed that the best cell performance could be achieved by providing low-pressure loss and homogeneous flow distribution at 100 ml/min flow rate. As a result, it was determined that water transfer inside the cell could be improved by using a square patterned geometry for the anode GDE, and the performance of PEM electrolyzers could be increased by providing faster delivery of the formed oxygen gas and excess water to the outside of the cell.