PEM elektrolizörün sayısal modellemesi ve deneysel doğrulanması
Numerical modeling and experimental validation of PEM electrolyzer
Yazar: SAFİYE NUR ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. İMDAT TAYMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
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.

Abstract:
The transition from conventional fossil fuels to sustainable-clean fuels has become essential in minimizing the harmful environmental effects of greenhouse gases and in the fight against global warming. Hydrogen, abundant globally and with a high energy content, is characterized as a sustainable and environmentally friendly fuel when produced from renewable energy sources (RES). In this context, it can be said that hydrogen is promising in many sectors, such as transportation, industry, energy, aviation, and space.
With the transition to renewable energy, the demand for electrolyzers that perform water electrolysis has increased significantly. Electrolysis of water is splitting water into oxygen and hydrogen gas through an electric current passing through the water. Water electrolyzers are electrochemical devices commonly used to generate hydrogen with a purity of at least 99.9% from pure water. Electrolyzers are classified according to the type of electrolyte used (solid or liquid). Liquid electrolyte is commonly employed in alkaline electrolyzers, while solid electrolyte is generally used in PEM electrolyzers and solid-oxide electrolyzers.
Among the available technologies, Polymer Electrolyte Membrane (PEM) electrolyzers are known for their ability to operate at high current densities and lower specific energy consumption compared to other types of electrolysis cells. However, to benefit from the full advantage of the performance of the PEM electrolyzer, it is critical to improve its durability, reliability, and operational conditions. PEM electrolysis cell performance depends on many factors, such as electrolysis cell design and assembly, operating conditions, and bipolar plate design.
The present thesis focuses on finding the critical operating conditions of the PEM electrolyzer that affect the system's performance for maximum current and hydrogen production rate. This thesis consists of 3 main parts: Modeling the complex two-phase flow in the anode bipolar plate of the electrolysis cell using Comsol Multiphysics and validating it with a reference study in the literature, performance tests of experimental electrolysis cell, determination of the optimum operational conditions of the electrolyzer by Taguchi and Response Surface Methodology (RSM), investigation of the mechanical behavior of the experimental cell using the finite element method in ANSYS Mechanical and, finally, validation of the simulation results with the experimental results.
In the first part of the thesis, a three-dimensional, unstable numerical model of the anode bipolar plate of the PEM electrolyzer has been developed, validated with the experimental results of a PEM electrolyzer with parallel flow field from the literature, two-phase flow in the flow channels has been characterized, and finally, by changing the number of channels between the inlet and outlet manifolds, pressure, velocity, and the distributions of oxygen gas bubbles were simulated. Numerical results show that when the number of channels increased from N=4 to N=14, the pressure drop decreased, and the oxygen gas fraction increased. It was observed that the velocity in the inlet and outlet manifolds of the anode bipolar plate was higher than in the central region, and it was revealed that the flow velocity distribution was not uniform.
The performance of PEM electrolysis cells can be significantly increased by optimizing operating and design conditions. In the experimental part of the study, firstly, the PEM electrolyzer cell with a 9 cm² active area was collected; after the conditioning process, which significantly affects the cell performance, performance tests were carried out in the temperature range of 40-80°C, and the results were recorded. The Taguchi method was applied to the experimental system to improve the PEM electrolyzer cell performance and determine the optimum operational conditions. The Taguchi method is an excellent optimization tool, significantly reducing experimentation time and costs. Temperature, water flow rate, and cell voltage are independent variables of the experimental system, while current and hydrogen flow rate are the dependent variables. Experimental results show the maximum cell performance at a temperature of 80°C, water flow rate of 16.5 ml/min, and cell voltage of 2.4 V. The efficiency values calculated based on hydrogen's lower and upper heating values under optimum operating conditions are 59.6% and 70.4%, respectively. The optimization results were visualized with three-dimensional surface and perturbation plots with a different optimization tool. Similarly, Design-Expert 13 (trial version) software was used to analyze the effects of control factors on performance and their optimum levels, and they were optimized by the RSM tool. RSM results show that the cell voltage, temperature, and interaction between the cell voltage and temperature significantly affect PEM electrolyzer cell performance.
Mechanical degradation of the MEU and the gas diffusion layer (GDL) is one of the main problems affecting the lifespan of the PEM electrolysis cell. Any structural damage to the electrolyzer cell components will adversely affect the mass transfer process and cell performance. As the clamping force increases, cell performance increases, but when it exceeds the optimum value, GDL permeability decreases, and cell performance may decrease. This thesis analyzes the effect of the clamping torque used for the PEM electrolyzer assembly on the cell components. Water flow rate, clamping torque, and cell voltage, which can significantly affect cell performance, were defined as input factors of the experimental system and optimized with RSM. Statistical results show that the water flow rate is an essential factor in the hydrogen flow rate, and the cell voltage, torque, and cell voltage-torque interaction significantly affect the current. All performance tests have been performed at a temperature of 80°C. From the optimization results, the maximum current and hydrogen flow rates of the PEM electrolyzer were obtained as 23.821 A and 189.972 ml/min, respectively.
The three-dimensional model geometry of the experimental PEM electrolyzer was developed in SpaceClaim software, and the material properties of each component were defined in the program. The mesh structure of the model was created in ANSYS Mechanical Mesh with the hex-dominant mesh method; then, the mathematical model was transferred to ANSYS Mechanical for numerical analysis. Three different clamping torques of 3, 6.5, and 10 Nm were applied to the PEM electrolyzer anode endplate, and the von Mises stresses and deformations generated on the MEU were numerically analyzed using the finite element method (FEM). Pressure-sensitive films were placed instead of the MEU, described as the PEM electrolyzer heart, and tested at three different values of clamping torques. Finally, numerical and experimental results were compared with each other, and it was seen that the results agreed with each other. The red intensity in the center of the pressure-sensitive films has been observed to be relatively low, and the bipolar plate channel design is less visible. This indicates that the pressure values are lower in the center of the pressure-sensitive film. When the clamping torques are 3, 6.5, and 10 Nm, respectively, the maximum stress values produced on the MEU are 34.891, 75.597, and 116.3 MPa, respectively.