Alkali su elektrolizi ile hidrojen üretimi ve matematiksel analizi
Hydrogen production by alkaline water electrolysis and mathematical analysis
Yazar: ŞEHNAZ GENÇ
Danışman: PROF. DR. NEZİHE AYAS
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, alkali su elektrolizi ile hidrojen üretimi için sistem tasarımı, deneysel çalışmalar ve matematiksel modelleme çalışmaları yapılmıştır. 3 farklı elektroliz sistemi tasarlanarak bu sistemler üzerinde voltaj-akım yoğunluğu performansına etki eden parametreler incelenmiştir. Tüm sistemler için elektrolit çözeltisi olarak potasyum hidroksit (KOH), elektrot olarak paslanmaz çelik ve Zirfon membran kullanılmıştır. Elektroliz Sistemi-1 (daldırma tipi) için elektrolit derişimi (0,30 M 0,50 M ve 0,75 M) ve anot-katot arası uzaklık (18 mm, 22 mm) için uygulanan voltaj değişimine göre akım yoğunluğu belirlenerek parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Artan derişim ve azalan elektrotlar arası mesafe için hücre performansının arttığı belirlenmiştir. Elektroliz Sistemi-1 için matematiksel modelleme çalışmasının sonucunda deneysel verilerin model ile uyumluluğu ve parametreleri belirlenmiştir. Elektroliz Sistemi-2 ve Elektroliz Sistemi-3 (yığın tipi) için yapılan parametrik çalışmalar ile hücre performansı (V-i), hidrojen üretim hızı ve sistem verimi üzerinde elektrolit derişiminin (%10, %20, %30, %40), elektrotlar arası mesafenin (7 mm, 10 mm ve 13 mm) ve manyetik alanın (0 mT, 60 mT, 110 mT) etkisi incelenmiştir. Hücre performansının en yüksek değeri %30 derişim, 7 mm anot-katot arası mesafe ve 110 mT manyetik alan uygulanması koşullarında gerçekleşmiştir. Buna göre sistem verimi 240-1100 A/m2 aralığında ortalama olarak %79 (%30 KOH, 7 mm, 110 mT), %78 (%30 KOH, 7 mm, 60 mT) ve %70 (%30 KOH, 7 mm, 0 mT) olarak belirlenmiştir. Elektroliz Sistemi-2 için matematiksel analiz çalışması yapılarak %30 KOH kullanımının en iyi performansı gösterdiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, design, experimental studies and mathematical modeling of alkaline water electrolysis systems for hydrogen production were carried out. Parameters affecting voltage-current density performance were examined. Potassium hydroxide (KOH) as the electrolyte solution stainless steel as electrode material and Zirfon as membrane were used. For Electrolysis System-1 parametric studies were carried out by measuring current density and cell voltage according to applied voltage for the electrolyte concentration (0.30 M, 0.50 M and 0.75 M) and the distance between anode and cathode (18 mm, 22 mm). Cell performance boosted as the concentration was increased and distance was decreased. Experimental data was validated, and parameters were determined as a result of the modelling of Electrolysis System-1. For Electrolysis System 2 and 3 the effects of concentration (10 wt.%, 20 wt.%, 30 wt.%, 40 wt.%), distance between electrodes (7 mm, 10 mm and 13 mm) and magnetic field (0 mT, 60 mT, 110 mT) on cell performance (V-i), hydrogen production rate and system efficiency were investigated. The highest value of cell performance was achieved under 30% concentration, 7 mm anode-cathode distance and 110 mT magnetic field operating conditions. Accordingly, system efficiency (HHV) was determined as 79% (30% KOH, 7 mm, 110 mT), 78% (30% KOH, 7 mm, 60 mT) ve 70% (30% KOH, 7 mm, 0 mT) in the range of 240-1100 A/m2 of current density. Modelling study for Electrolysis System-2 yielded validation in accordance with experimental data with the use of 20%-30% KOH and 7 mm anode-cathode distance.