Effects of porous transport layers on the performance ofpem water electrolyzers
Gözenekli taşıyıcı tabakaların pem su elektrolizörlerininperformansına etkisi
- Tez No: 916467
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET SUHA YAZICI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 143
Özet
Küresel enerji talebinin artışı, fosil yakıt rezervlerinin sınırlı olması ve bunların kullanımının çevresel etkileri, sürdürülebilir enerji kaynaklarına yönelimi her geçen gün daha da zorunlu kılmaktadır. Artan karbon salınımları, iklim değişikliğinin ana nedeni olarak gösterilirken, fosil yakıtlara bağımlı enerji sistemlerinden uzaklaşılması kritik bir hedef haline gelmiştir. Bu bağlamda, hidrojen enerji dönüşümünde ve depolama sistemlerinde büyük bir potansiyel taşımaktadır. Hidrojenin dikkat çekici özellikleri arasında yüksek enerji yoğunluğu, yenilenebilir kaynaklardan üretilebilir olması ve yanma sırasında karbon emisyonu oluşturmaması yer almaktadır. Bu nedenle, sıfır emisyonlu bir enerji taşıyıcısı olarak öne çıkmaktadır. Günümüzde hidrojen üretimi çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilmektedir. Ancak, dünya genelinde üretilen hidrojenin büyük bir kısmı doğal gazdan buhar reformasyonu yöntemiyle elde edilmektedir. Bu yöntem, ekonomik açıdan avantajlı olmasına rağmen, karbon dioksit salınımına neden olarak çevresel açıdan olumsuz etkiler yaratmaktadır. Fosil yakıtlara dayalı bu tür yöntemler, sıfır emisyon hedefiyle uyumlu olmadığı için eleştirilmektedir. Bunun yanı sıra, kömür gazlaştırma ve petrolden elde edilen hidrojen de temiz olmayan üretim yöntemleri arasında yer almaktadır. Hidrojen üretiminde daha temiz yöntemler arayışı, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanıldığı su elektrolizine olan ilgiyi artırmıştır. Bu yöntem, su molekülünün elektrik enerjisi kullanılarak hidrojen ve oksijen gazlarına ayrıştırılması prensibine dayanmaktadır. Su elektrolizi yöntemi, karbon salınımı yaratmadığı için çevresel açıdan temiz bir seçenek sunmaktadır. Özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik ile desteklendiğinde, tamamen sıfır emisyonlu bir hidrojen üretim süreci elde edilebilmektedir. Su elektroliz yöntemleri temel olarak dört farklı teknolojiye ayrılmaktadır: alkali su elektrolizörleri, anyon değişim membranlı su elektrolizörleri, proton değişim membranlı su elektrolizörleri (PEMWE'ler) ve katı oksit elektrolizörleri. Bu yöntemler arasında, PEMWE'ler kompakt tasarımları, düşük çalışma sıcaklıkları ve yüksek verimlilikleri ile dikkat çekmektedir. PEM su elektrolizörleri, proton iletkenliği sağlayan polimer bazlı bir membran kullanarak suyun ayrışmasını sağlar. PEMWE teknolojisi, diğer elektroliz teknolojilerine kıyasla bazı benzersiz avantajlara sahiptir. Bu avantajlardan biri, düşük sıcaklıklarda çalışabilmesi ve bu sayede daha az enerji kaybı yaşanmasıdır. Ayrıca, PEM su elektrolizörleri doğrudan basınç altında çalışarak ek bir sıkıştırma işlemi gerektirmeden yüksek basınçlı hidrojen üretebilir. Bu durum, depolama ve taşıma süreçlerinde maliyet ve enerji tasarrufu sağlar. Ayrıca, PEM elektrolizörleri yüksek saflıkta hidrojen üretme kapasitesine sahiptir, bu da endüstriyel uygulamalar için çok önemlidir. Bununla birlikte, PEM su elektrolizörlerinin üretim maliyetleri halen yüksektir. Özellikle membran, katalizör ve bipolar plaka gibi kritik bileşenlerin maliyeti, ticari uygulamalarda bu teknolojinin yaygınlaşmasını sınırlayan temel faktörlerdendir. Ancak son yıllarda yapılan çalışmalar, bu bileşenlerin daha düşük maliyetli ve daha verimli alternatiflerinin geliştirilmesi konusunda önemli ilerlemeler kaydetmiştir. PEM su elektrolizörleri, endüstriyel hidrojen üretimi, yenilenebilir enerjinin depolanması, ulaşım sektöründe yakıt olarak kullanılması ve enerji santrallerinde enerji dönüşümü gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılma potansiyeline sahiptir. Bu teknolojinin yaygınlaşması, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak enerji güvenliğinin artmasına ve karbon emisyonlarının azaltılmasına büyük katkı sağlayacaktır. PEM su elektrolizörleri, yeşil hidrojen ekonomisine geçişte anahtar bir teknoloji olarak görülmektedir ve bu alandaki gelişmeler, geleceğin sıfır emisyon hedeflerine ulaşılmasında kritik bir rol oynayacaktır. PEM su elektrolizörlerinin kritik bileşenlerinden biri olan Gözenekli Taşıma Katmanı (PTL), su ve gaz taşınımını verimli bir şekilde sağlama, hücrede düşük direnç sağlama ve arayüzde düzgün elektrik akım dağılımını sağlamak açısından önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca PTL'ler, katalizör katmanı ile bipolar plaka veya mesh arasındaki arayüzü temsil ederek, elektriksel iletkenlik ve reaktant erişilebilirliğini doğrudan etkiler. PTL'lerin yapısal özellikleri (sinter veya lifli yapıda olması), kalınlıkları, porozite oranları ve gözenek boyutu dağılımları, PEM su elektrolizörü performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu tez, farklı kalınlıklara, porozitelere ve yapısal özelliklere sahip titanyum tabanlı PTL'lerin PEMWE performansı üzerindeki etkilerini araştırmaktadır. Farklı PTL konfigürasyonları kullanılarak yapılan bir dizi deneyle, bu yapısal özelliklerin PEMWE performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışma, PTL yapısal özelliklerinin, özellikle kalınlık ve porozitenin, polarizasyon eğrilerinden ve elektrokimyasal empedans spektroskopisiyle oluşturulan Nyquist diyagramlarından elde edilen parametreler üzerindeki etkisini sistematik bir şekilde incelemiştir. Sonuçlar, daha ince PTL'lerin özellikle yüksek akım yoğunluklarında daha iyi performans sergileyerek daha yüksek genel verimlilik sağladığını göstermiştir. Ayrıca, yapılan çalışmalarda daha yüksek porozitenin gazların uzaklaştırılmasını sağlayarak ve reaktan taşınımını iyileştirerek PEM su elektrolizörü performansını arttırdığı bulunmuştur. Buna ek olarak, silindir işlemine tabi tutularak mekanik olarak kalınlığı azaltılmış ve dolayısıyla porozitesi de azalmış PTL'ler de bu tezde araştırılmıştır. Mekanik olarak kalınlık azaltma işleminin performans üzerindeki etkisi incelenmiş ve bu tür PTL'lerin verimlilik üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Bu çalışmalar, PTL tasarımının optimize edilmesi için farklı üretim yöntemlerinin ve tekniklerin nasıl etkileşimde bulunduğunu anlamaya olanak sağlamıştır. Bu bulgular, PTL tasarım optimizasyonuna dair derinlemesine bir anlayış sunarak, PEMWE'lerin verimliliğini artırmayı ve hidrojen üretim maliyetlerini düşürmeyi hedeflemektedir. Ayrıca, bu ilerlemeler, yeşil hidrojenin yenilenebilir enerji sistemlerine entegrasyonunu destekleyerek küresel sürdürülebilirlik hedeflerine katkı sağlamaktadır. Bu bağlamda, daha verimli PTL tasarımlarının geliştirilmesi, yüksek akım yoğunluklarında sistem performansını iyileştirerek hidrojen üretiminde maliyetlerin düşürülmesini sağlayacaktır. Bu tasarımlar, aynı zamanda sistemin dayanıklılığını artırarak, daha uzun ömürlü ve sürdürülebilir elektrolizör kullanımına olanak tanıyacaktır. Yüksek enerji verimliliği sağlayarak temiz hidrojenin daha hızlı ve ekonomik üretimi mümkün kılınacaktır. Sonuç olarak, bu çalışma, PEMWE bileşenlerinin daha iyi anlaşılmasını sağlayarak, araştırma ile pratik uygulama arasındaki boşluğu kapatmakta ve temiz, sürdürülebilir bir enerji geleceğinin şekillendirilmesine katkı sunmaktadır. PTL tasarımının optimize edilmesi, PEM su elektrolizi teknolojisinin verimli hale gelmesini sağlayarak, temiz enerji geçişine önemli bir katkı sunacaktır. Bu tasarımlar, verimlilik ve maliyet açısından önemli iyileştirmeler sağlayarak hidrojen üretimini daha sürdürülebilir kılacaktır.
Özet (Çeviri)
The escalating global energy demand, combined with the dwindling reserves of fossil fuels and their detrimental environmental effects, drives the urgent need for a transition to renewable and sustainable energy sources. Hydrogen, possessing an elevated energy density, versatility and clean combustion properties, is an ideal candidate for a zero-emission energy carrier. Among various hydrogen production methods, water electrolysis powered by renewable energy stands out as the most sustainable option. Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEMWEs), known for their compact design, rapid response time and high efficiency, are key technologies in the transition to a green hydrogen economy. They offer unique advantages, such as operating at low temperatures, producing high-purity hydrogen directly at pressure and being scalable to meet diverse energy demands. PEMWEs have the potential to significantly contribute to decreasing reliance on fossil fuels, improving energy security, and facilitating the widespread use of clean hydrogen in various sectors such as industry, transportation, and power generation. Despite their advantages, the widespread adoption of PEMWEs faces challenges related to cost and durability. Among the critical components of PEMWEs, the Porous Transport Layer (PTL) plays a crucial role in ensuring efficient water and gas transport, maintaining low resistance, and providing uniform current distribution. PTLs also serve as the boundary between catalyst layer and bipolar plate or mesh, directly influencing contact resistance and reactant accessibility. The structural features of PTLs (sintered or fibrous structure), including their thickness, pore structure and size distribution, have a significant effect on PEM water electrolyzer performance. This thesis investigates the performance impact of titanium-based Porous Transport Layers (PTLs) with varying thicknesses, porosities, and structural properties in PEMWEs. A series of experiments were conducted using PTLs of different configurations under controlled operating conditions. The study systematically examined the influence of PTL structural features, including thickness and porosity, on parameters derived from polarization curves and Nyquist plots obtained through electrochemical impedance spectroscopy. Findings indicated that thinner PTLs demonstrated better performance especially at high current densities, achieving higher overall efficiency. Additionally, higher porosity was found to enhance gas removal and reactant transport, contributing to improved PEM water electrolyzer performance under various operating conditions. Moreover, PTLs that underwent a rolling process to mechanically reduce thickness and, consequently, porosity, are also investigated in this research. The impact of the mechanical thinning process on performance is examined, and the effects of these types of PTLs on efficiency are evaluated. These additions provide insights into how different manufacturing methods and techniques interact in optimizing PTL design. The findings contribute to a deeper understanding of PTL design optimization, aiming to improve PEMWE performance and reduce hydrogen production costs. These advancements align with global sustainability goals, promoting green hydrogen as a cornerstone of the transition to renewable energy systems. Ultimately, this work enhances the understanding of PEMWE components, bridging the gap between research and practical application, and supporting the development of a cleaner, more sustainable energy future.
Benzer Tezler
- Yakıt pillerinde kullanılan metal bipolar plaka kaplama elektriksel temas direncinin sayısal analizi
Numerical analysis of electrical contact resistance of coating used on metal bipolar plates in fuel cells
ÖZGÜN ÖNEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET SUHA YAZICI
PROF. DR. DİLEK KUMLUTAŞ
- Investigating the performance and degradation of low platinum loaded proton exchange membrane fuel cells
Düşük platin yüklü proton değişimli yakıt hücrelerinin performansının ve bozulmasının araştırılması
ASAL SAEIDFAR
Doktora
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- Gaz difüzyon tabakası gözeneklilik değerlerinin proton değişim membran yakıt hücresi (PEMFC) performansına etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yöntemi ile incelenmesi
A Computational Fluid Dynamics Study Of The Effect Of Gas Diffusion Layer Porosity On Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance
BURAK SEVİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ
- Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLTEKİN GÖLLER
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN TEKİN
- Electrochemical charge storage and electrochemomechanical behavior of chemically exfoliated & restacked MoS2 nanosheets
Başlık çevirisi yok
MUHARREM ACERCE
Doktora
İngilizce
2016
Metalurji MühendisliğiRutgers, The State University of New Jersey-New Brunswick CampusProf. MANISH CHHOWALLA