PEM elektrolizörlerin manyetik alan altındaki çalışma performansının incelenmesi ve katalizör geliştirilmesi
Investigation the performance of PEM water electrolyzers under magnetic field anddevelopment of electrocatalyst
Yazar: MEHMET FATİH KAYA
Danışman: DOÇ. DR. NESRİN KAYATAŞ DEMİR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında amaç Polimer Elektrolit Membran (PEM) Elektrolizörler'de manyetik alanın ve manyetik olarak modifiye edilmiş anot katalizör tabakanın hücre performansına etkilerini deneysel ve sayısal olarak incelemektir. Lorentz Kuvveti'nin ve kaldırma kuvvetinin beraber etki etmesi ile elektrot yüzeyine tutunan ve hücre içerisindeki reaksiyon oranının azalmasına sebep olan kütle transferi kayıplarının ve ohmik kayıpların azaltılması hedeflenmiştir. Oksijen üretim reaksiyonlarının oluştuğu anot tarafındaki katalizör yapısı, Kelvin Kuvveti'nin etkilerini incelemek için soy metal oksit yapıları ile beraber manyetik parçacıklarla modifiye edilmiştir. Bu amaçla öncelikle asidik ve bazik sulu elektroliz çözeltisine sahip hücrelerde sabit manyetik alan altında denemeler yapılmış, elde edilen %10-15'lik performans artışından sonra manyetik etkiler PEM elektrolizörler için de incelenmiş ve farklı su debilerinde %50'nin üzerinde performans artışı gözlenmiştir. Ancak yapılan çalışmalarda bu etkilerin manyetik alan yoğunluğunun miktarı ve diğer tasarım parametreleri ile sınırlı olduğu belirlenmiş, PEM elektrolizörün anot katalizör yapısının manyetik parçacıklarla modifiye edilmesi ile oluşacak değişimler araştırılmıştır. Manyetiklendirilmemiş ve manyetiklendirilmiş parçacıklarla hazırlananan membran elektrolit grubu ile yapılan testlerde de hücreden elde edilen akım yoğunluğunda, %90 IrO2-%10 Fe3O4 kompozit yapısı için iki kat, %80 IrO2-%20 Fe3O4 kompozit yapısında ise iki buçuk kat hücre performans artışı gözlenmiştir. Bu sayede yüksek maliyetli IrO2 katalizörünün de kullanım miktarı kayda değer şekilde azaltılarak literatüre yeni bir malzeme yapısı da kazandırılmıştır.
Anahtar Kelimeler:	PEM Elektrolizör, Lorentz Kuvveti, Kelvin Kuvveti, Magnetohidrodinamik, Hidrojen Üretimi

Abstract:
The aim of this study is to investigate the effect of magnetic field on PEM Water Electrolyzers and development of magnetically modified electrocatalysts for the oxygen evolution reactions experimentally and numerically. Application of Lorentz Force together with the buoyancy force, decreases mass transfer and ohmic losses due to the lowering sticking of gas bubbles on the electrode surface. Anode catalyst layer, where oxygen evolution reactions occurs, is modified with noble metals and magnetic particles to observe effect of Kelvin Force. For this purpose, firstly, acidic and alkaline water electrolyzer solutions are used to observe the Lorentz Force effect on the cell. Secondly, a similar experimental setup is used for PEM water electrolyzer in different magnetic fluxes and mass flow rates. As a result, around 10-15% performance improvements are observed in aqueous solutions and almost 50% performance improvement is observed on PEM electrolyzer cell. However, these effects are limited by the applied magnetic flux density and other design parameters of the cell. Thus, PEM Water electrolyzer anode side is modified with different molar percentage of Fe3O4 and IrO2 to investigate the benefit of these effects in a smaller scale. For this aim, magnetized and non-magnetized MEAs are prepared and tested. In magnetized MEA, for %90 IrO2-%10 Fe3O4 and %80 IrO2-%20 Fe3O4 composites, two times, and two and a half times performance improvements are observed comparing to the same loaded and non-magnetized samples, respectively. By means of this, it is possible to use lower amount of expensive IrO2 in the PEM water electrolyzers, remarkably.
Keywords:	PEM Water Electrolyzers, Lorentz Force, Kelvin Force, Magnetohydrodynamic, Hydrogen Production