Geri Dön

Experimental investigation and performance assessment of a photoelectrochemical hydrogen production system with electro-mechanical effects

Elektromekanik etkileri olan fotoelektrokimyasal hidrojen üretim sisteminin deneysel araştırması ve performans değerlendirmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 1018533
  2. Yazar: SÜMEYYA AYÇA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM DİNCER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, Hidrojen enerjisi, Mekanik enerji, Ultrasonik enerji, Yenilenebilir enerji, Yenilenebilir enerji kaynakları, Yeşil enerji, Solar energy, Hydrogen energy, Mechanical energy, Ultrasonic energy, Renewable energy, Renewable energy resources, Green energy
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Artan küresel enerji talebi, çevresel kaygılar ve sürdürülebilir enerji sistemlerine duyulan ihtiyaç, temiz hidrojen üretim teknolojilerine olan ilgiyi artırmıştır. Çeşitli hidrojen üretim yöntemleri arasında fotoelektrokimyasal (PEC) su ayrıştırma teknolojisi, güneş enerjisinin doğrudan hidrojene dönüştürülmesine olanak sağlaması nedeniyle önemli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak düşük hidrojen üretim hızları ve yük taşıyıcılarının yeniden birleşmesi gibi problemler PEC sistemlerinin yaygın kullanımını sınırlandırmaktadır. Bu nedenle yük ayrışmasını, kütle transferini ve reaksiyon kinetiğini geliştirebilecek yeni yaklaşımlara ihtiyaç vardır. Bu tez çalışmasında, fotoelektrokimyasal, ultrasonik ve dönme hareketi destekli koşullar altında hidrojen üretimi deneysel olarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Ga katkılı ZnO, Ga katkılı ZnO/BaTiO₃, Ga katkılı ZnO/Cu-BaTiO₃ ve Cu/BaTiO₃ kaplamaları paslanmaz çelik, alüminyum plaka ve nikel köpük altlıklar üzerine başarıyla sentezlenmiş ve kaplanmıştır. Ayrıca güneş simülatörü, ultrasonik uyarım sistemi ve servo motor kontrollü dönme mekanizmasını içeren özel tasarımlı bir PEC reaktör geliştirilmiş ve deneysel olarak değerlendirilmiştir. Hazırlanan elektrotların yüzey morfolojileri, elementel dağılımları ve kristal yapıları FESEM, EDS ve XRD analizleri ile karakterize edilmiştir. Elektrokimyasal performanslar doğrusal süpürme voltametrisi (LSV), kronoamperometri (CA) ve hidrojen üretim deneyleri ile incelenmiştir. Ayrıca sistem performansının değerlendirilmesi amacıyla enerji verimi, ekserji verimi, uygulanan gerilim altında foton-akım dönüşüm verimi (ABPE) ve Faradaik verim analizleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, altlık türünün ve kaplama bileşiminin hidrojen üretim performansı üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermektedir. İncelenen altlıklar arasında nikel köpük, üç boyutlu gözenekli yapısı ve yüksek aktif yüzey alanı sayesinde en yüksek performansı sergilemiştir. Kaplama malzemeleri arasında Cu/BaTiO₃ tüm çalışma koşullarında en başarılı sonuçları vermiştir. Dönme hareketinin uygulanması, kütle transferini artırarak, konsantrasyon kutuplanmasını azaltarak ve hidrojen kabarcıklarının yüzeyden uzaklaştırılmasını kolaylaştırarak hidrojen üretimini önemli ölçüde artırmıştır. Ultrasonik uyarım, elektrolit karışımını iyileştirerek ve yük transfer süreçlerini hızlandırarak sistem performansına olumlu katkı sağlamıştır. En yüksek hidrojen üretim performansı, PEC, ultrasonik ve dönme hareketinin birlikte uygulandığı koşullarda Cu/BaTiO₃ kaplı nikel köpük elektrot ile elde edilmiştir. En iyi çalışma koşullarında sistem 1 saat içerisinde 25 mL hidrojen üretmiş olup enerji verimi, ekserji verimi, ABPE ve Faradaik verim değerleri sırasıyla %3.260, %3.345, %1.095 ve %85.0 olarak belirlenmiştir. Elde edilen en yüksek ortalama akım değeri ise 62.694 mA olmuştur. Sonuç olarak, piezoelektrik malzemelerin, ultrasonik uyarımın ve dönme hareketinin birlikte kullanılması fotoelektrokimyasal hidrojen üretim performansını önemli ölçüde artırmıştır. Geliştirilen hibrit sistem, güneş, mekanik ve akustik enerjiyi eşzamanlı olarak değerlendirebilen yenilikçi bir yaklaşım sunmakta ve gelecekte yüksek verimli, sürdürülebilir hidrojen üretim teknolojilerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

The growing global energy demand, environmental problems, and the need for sustainable energy systems have motivated the development of clean hydrogen production technologies. Photoelectrochemical (PEC) water splitting is one of several ways for hydrogen production that has received significant attention owing to the direct conversion of solar energy into hydrogen. However, the relatively low hydrogen production rates and charge-carrier recombination losses remain important challenges that limit the large-scale application of PEC systems. Therefore, new strategies to improve charge separation, mass transfer, and reaction kinetics are required. In this thesis, a comprehensive experimental study of hydrogen generation under photoelectrochemical, ultrasonic, and rotational motion-assisted conditions is performed. Various semiconductor and piezoelectric electrode configurations, such as Ga-doped ZnO, Ga-doped ZnO/BaTiO₃, Ga-doped ZnO/Cu-BaTiO₃, and Cu/BaTiO₃ coatings, are successfully synthesized and deposited on stainless steel, aluminum plate, and nickel foam substrates. A custom-designed PEC reactor with a solar simulator, ultrasonic excitation system, and servo-motor-driven rotational mechanism has been developed and experimentally evaluated. The prepared electrodes are characterized using FESEM, EDS, and XRD to assess their surface morphology, elemental composition, and crystal structures. Electrochemical performance is evaluated using linear sweep voltammetry (LSV), chronoamperometry (CA), and hydrogen production measurements. In addition, the overall system performance is evaluated using energy efficiency, exergy efficiency, applied-bias photon-to-current efficiency (ABPE), and Faradaic efficiency analyses. The experimental results revealed that the substrate type and coating composition significantly affect PEC hydrogen production performance. The best overall performance is observed for nickel foam among the substrates studied due to its three-dimensional porous structure and larger active surface area. Cu/BaTiO₃, among the coating materials, consistently performs better across all operating conditions. The introduction of rotational motion increases the hydrogen production by increasing mass transfer, reducing concentration polarization, and removing gas bubbles from the electrode surface. Furthermore, ultrasonic excitation is beneficial for charge-transfer characteristics and electrolyte mixing. The best hydrogen production performance is achieved with the Cu/BaTiO₃-coated nickel foam electrode under combined PEC, ultrasonic, and rotational motion conditions. The system generates 25 mL of hydrogen in 1 h under the best operating conditions with energy efficiency, exergy efficiency, ABPE, and Faradaic efficiency values of 3.260%, 3.345%, 1.095%, and 85.0%, respectively. The maximum average current is 62.694 mA. In general, the results indicate that the combination of piezoelectric materials, ultrasonic excitation, and rotational motion offers a promising strategy to improve the performance of PEC hydrogen production. The developed hybrid system efficiently harnesses solar, mechanical, and acoustic energy simultaneously and provides valuable insights into the development of next-generation sustainable hydrogen production technologies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    56553

    Design construction and testing of an experimental turbojet engine

    Deneysel bir turbojet motorun tasarımı, yapımı ve test edilmesi

    ERHAN SAYGI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1996

    Astronomi ve Uzay BilimleriOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YALÇIN A. GÖĞÜŞ

  2. Tez No

    1000539

    Yüksek yapılar için tasarlanan yeni tip bir yarı-aktif kontrollü sismik titreşim sönümleyicinin deneysel incelemesi ve sistem modeli

    Experimental investigation and system modeling of a novel semi-active controlled seismic vibration damper designed for high-rise structures

    SEFER ARDA SERBES

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAHSİN ENGİN

  3. Tez No

    1012618

    Çukur formlu yapıların düz levha direncine olan etkilerinin dış akışta ve kanal akışında deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation into the effect of dimpled structures on flat plate resistance under external flow and channel flow conditions

    ARAS ÇETİNKAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ORAL ÜNAL

  4. Tez No

    846659

    An experimental investigation of thermal, hydraulic and chemical effects on the erosion of compacted bentonite

    Sıkıştırılmış bentonitin erozyonu üzerindeki termal, hidrolik ve kimyasal etkilerin deneysel olarak incelenmesi

    SÜLEYMAN BÜLBÜL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiUnıversıty Of Manchester Instıtute Of Scıence And Technology (umıst)

    Geoteknik Ana Bilim Dalı

    DR. Ahmad Syed Mohd Syed

  5. Tez No

    1019123

    Experimental and numerical investigation of cooling and lubrication systems in hydrogen fueled internal combustion engines

    Hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorlarda soğutma ve yağlama sistemlerinin deneysel ve sayısal incelenmesi

    RAMAZAN AYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ

Geri Dön