Klor-Alkali Yöntemi ile ZnCl₂ Kullanarak Hidrojen Üretiminde Ekserji Analizi
Exergy Analysis in Hydrogen Production Using ZnCl₂ via the Chlor-Alkali Method
Yazar: Damarseçkin, Serdal
Dergi: Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, Vol. 26 No. 1, 2025
Anahtar kelimeler: Energy Systems Engineering (Other) ; Enerji Sistemleri Mühendisliği (Diğer) ; Hidrojen Üretimi,Klor-alkali reaktör,Enerji,Ekserji ; Hydrogen Production,Chlor-Alkali Reactor,Energy,Exergy.

Bu çalışmada, klor-alkali reaktörlerinde yaygın olarak tercih edilen sodyum klorür çözeltilerine alternatif olarak çinko klorür (ZnCl₂) çözeltisi kullanılarak hidrojen üretimine yönelik geliştirilen bir sistemin, farklı sıcaklık ve hücre voltajı koşullarındaki ekserji verimliliği deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler, sabit elektrolit akış hızı (0,3 g/s) altında iki farklı sıcaklık (20 °C ve 45 °C) ve üç farklı hücre voltajı (5,0 V, 7,5 V ve 10,0 V) seviyesinde yürütülmüş, her bir parametre kombinasyonu için üç tekrar alınarak sonuçların istatistiksel güvenilirliği sağlanmıştır. Laboratuvar ölçeğindeki reaktörde, anot ve katot bölmeleri Zn⁺ iyonlarının seçici geçişine imkân tanıyan Nafion 212 membranı ile ayrılmış ve her iki bölmede beşer adet grafit çubuk elektrot kullanılmıştır. Elektrolit akış hızının hidrojen ve klor gazı üretimi üzerindeki etkisinin ihmal edilebilir düzeyde olduğu gözlemlendiğinden, bu parametre deneyler boyunca sabit tutulmuştur. Deneysel süreçte, anot bölmesinde oluşan reaktif klor nedeniyle elektrotlarda aşınma meydana gelmiş ve bu durum, üretilen klor miktarının hidrojen miktarına göre daha düşük olmasına yol açmıştır. Elde edilen verilere göre, en düşük hidrojen üretim hızı 20 °C ve 5,0 V koşullarında 0,625 mL/dk olarak ölçülürken, en yüksek üretim hızı 45 °C ve 10,0 V koşullarında 4,971 mL/dk seviyesine ulaşmıştır. Ekserji verimliliği açısından ise en düşük değer % 7,14 ile 20 °C ve 5,0 V’de, en yüksek değer ise % 9,58 ile 45 °C ve 10,0 V’de hesaplanmıştır. Bu kapsamda, ZnCl₂ çözeltisi ile çalışan sistemin hem yenilikçi bir klor-alkali teknolojisi sunduğu hem de literatürde ilk defa bu sistemin ekserji bazlı performansının deneysel olarak değerlendirildiği ortaya konulmuştur. ZnCl₂'nin tercih edilmesi, hidrojenin yanı sıra değerli bir yan ürün olan Zn(OH)₂ üretimini sağlayarak sistemi çevresel ve ekonomik açıdan avantajlı kılmaktadır.

In this study, a system developed for hydrogen production using zinc chloride (ZnCl₂) solution as an alternative to the commonly used sodium chloride solutions in chlor-alkali reactors was experimentally evaluated in terms of exergetic efficiency under different temperature and cell voltage conditions. Experiments were conducted at a constant electrolyte flow rate of 0,3 g/s, under two different temperatures (20 °C and 45 °C) and three different cell voltages (5,0 V, 7,5 V, and 10,0 V), with three repetitions for each parameter combination to ensure statistical reliability of the results. In the laboratory-scale reactor, the anode and cathode compartments were separated by a Nafion 212 membrane, allowing the selective passage of Zn⁺ ions, and five graphite rod electrodes were used in each compartment. Since the electrolyte flow rate had a negligible effect on hydrogen and chlorine gas production, it was kept constant throughout the experiments. During the process, reactive chlorine in the anode compartment caused electrode degradation, resulting in lower chlorine production compared to hydrogen. According to the results, the lowest hydrogen production rate was measured as 0,625 mL/min at 20 °C and 5,0 V, while the highest rate reached 4,971 mL/min at 45 °C and 10,0 V. In terms of exergetic efficiency, the lowest value was calculated as 7,14 % at 20 °C and 5,0 V, and the highest as 9,58 % at 45 °C and 10,0 V. This study demonstrates both a novel chlor-alkali system using ZnCl₂ solution and presents the first experimental assessment of its exergetic performance in the literature. The use of ZnCl₂ offers environmental and economic advantages by enabling the production of both hydrogen and a valuable by-product, zinc hydroxide (Zn(OH)₂).