Performance assessment of anion exchange membrane electrolyzer through mathematical modeling
Matematiksel modelleme ile anyon değişim membran elektrolizörün performans değerlendirilmesi
- Tez No: 988872
- Danışmanlar: PROF. DR. CAN ÖZGÜR ÇOLPAN, PROF. DR. YILSER DEVRİM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Enerji, Mechanical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Anyon değiştirici membranlar, Diferensiyel termal analiz, Enerji depolama sistemi, Matematiksel modelleme, Sistem modelleme, Anion exchange membranes, Differential thermal analysis, Energy storage system, Mathematical modelling, System modelling
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Dokuz Eylül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Termodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Anyon değişim membran su elektrolizörü (AEMWE), uygun maliyetli geçiş metalleri kullanırken yüksek verimliliğini koruyabilmesi sayesinde yeşil hidrojen üretimi için umut vadeden bir teknolojidir. Bu çalışmanın amacı, AEMWE'nin elektrokimyasal, ısıl ve sistem düzeyindeki davranışlarını değerlendiren modelleme yaklaşımlarının geliştirilmesidir. Öncelikli olarak, AEMWE hücresinin elektrokimyasal performansını değerlendirmek amacıyla sıfır boyutlu detaylı bir model geliştirilmiş ve bu model aracılığıyla farklı polibenzimidazol temelli membranların farklı çalışma sıcaklıklarındaki ve membran kalınlıklarındaki performansları karşılaştırılmıştır. Ardından elektrolizör yığınının ve elektrolit tankının ısınma davranışı MATLAB ve Simulink ortamında sistem düzeyinde analiz edilmiştir. Son olarak, fotovoltaik (PV) ile beslenen ve metal hidrür (MH) tanklarıyla entegre edilmiş bir PV-AEMWE-MH sistemi modellenmiş ve İzmir'in tipik temmuz ve ocak ayı güneş koşulları altında hidrojen üretim ve depolama performansı incelenmiştir. Bulgular, daha ince membranların ve daha yüksek çalışma sıcaklıklarının sistem verimliliğini artırdığını göstermektedir. En yüksek verim, 25 μm membran kalınlığında, 80 °C çalışma sıcaklığında ve 1 M potasyum hidroksit elektrolitiyle çalışıldığında, 20.000 A/m² akım yoğunluğunda %83,89 yüksek ısıl değer esaslı verimlilik ile elde edilmiştir. Sistem seviyesindeki sonuçlar, düşük tank kütlesi ve yavaş su giriş debilerinin yığının daha hızlı ısınmasına yol açtığını ortaya koymuştur. PV-AEMWE-MH sisteminin yaz ayında günde yaklaşık 0,295 kg, kış ayında ise yaklaşık 0,1656 kg hidrojen üretebildiği belirlenmiştir. Yaz koşullarında düşük taşınım katsayılarında yetersiz ısı uzaklaştırılması nedeniyle depolama performansı düşerken, her iki mevsim için de belirli bir eşik değerin üzerindeki taşınım katsayılarında depolama performansındaki iyileşmenin sınırlı kaldığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The anion exchange membrane water electrolyzer (AEMWE) is a promising technology for green hydrogen production due to its ability to maintain high efficiency while using cost-effective transition metals. The objective of this thesis is to develop modeling approaches that evaluate the electrochemical, thermal, and system-level behavior of AEMWE. First, a zero-dimensional model was developed to evaluate the electrochemical performance of the AEMWE cell, then used to compare the performance of different polybenzimidazole-based membranes at various operating temperatures and membrane thicknesses. Following this, the heating behavior of the electrolyzer stack and electrolyte tank was analyzed at the system level using MATLAB/Simulink. Finally, a system with photovoltaics (PV) and metal hydride (MH) tanks was modeled, and the hydrogen production and storage performance under typical July and January conditions in Izmir was investigated. The findings indicate that thinner membranes and higher operating temperatures increase system efficiency. The highest efficiency of 83.89%, based on higher heating value, was achieved at a current density of 20,000 A/m² using a 25 μm membrane operated at 80 °C in a 1 M potassium hydroxide solution. System-level results revealed that low tank mass and slower water inlet flow rates led to faster heating of the stack. The proposed PVAEMWE-MH system can produce 0.295 and 0.1656 kg of hydrogen daily during summer and winter, respectively. The analyses showed that low convection coefficients reduce storage efficiency, as the tank temperature exceeds its operational limits, and the impact of higher values is not pronounced after a certain point.
Benzer Tezler
- Lıfe cycle assessment of green hydrogen productıon vıa electrolysıs
Elektroliz yoluyla yeşil hidrojen üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi
HAKAN ÇAMUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI İŞLER KAYA
- Türkiye kıyılarında tersane ve marina faaliyetlerinden kaynaklanan organik kirletici seviyelerinin pasif örnekleyiciler yardımıyla belirlenmesi
Determination of organic pollutant levels in shipyard and marina waters by passive sampling
ATİLLA YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OYA OKAY
DOÇ. DR. BARIŞ BARLAS
- Hareketli yatak benzetimli ve annular kromatografi sistemlerinin imalatı: Annular kromatografide BSA saflaştırma performansının değerlendirilmesi
Manufacture of simulated moving bed and annular chromatography systems: Assessment of BSA purification performance in annular chromatography
GONCA SAĞLAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET R. ÖZDURAL
- Coupling ozone with GAC, AIX and biochar: Removal of pharmaceuticals from the biologically treated wastewater and fate of their transformation products
Ozonun granüler aktif karbon, iyon değişimi veya biyokömürle kombinasyonu ile farmasötiklerin biyolojik arıtılmış atıksudan giderilmesi ve transformasyon ürünlerinin akıbeti
MALHUN FAKIOĞLU KUTLU
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- Katı atıkların depolanmasında karşılaşılan geoteknik problemler
Geotechnical problems encountered in disposal of wastes
AHMET KUTAY