II. İLERİ TEKNOLOJİLER ÇALIŞTAYI (İTÇ 2011) - Bilgesam

PEM (Proton Exchange Membrane) ELEKTROLİZÖR
HÜCRESİNDE İKİ FAZLI AKIŞIN NÖTRON GÖRÜNTÜLENME
YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ
Ömer F. SELAMET 1,2 , Uğur PAŞAOĞULLARI 1 , Daniel S. HUSSEY 3 , David L.
JACOBSON 3 , M. Caner ACAR 2 , Yüksel KAPLAN 2 , Mahmut D. MAT 2
1 Center for Clean Energy Engineering, University of Connecticut
2 Niğde Üniversitesi Makine Mühendisliği
3 National Institute of Standards and Technology
207
İki fazlı akışlar, birçok elektrokimyasal sistemlerde görülmekte ve çalışma performansını
belirlemektedir. PEM (proton exchange membrane-proton geçirgen
membran) yakıt pillerinde anotta reaksiyon sonucu oluşan suyun yönetimi, doğrudan
metanollü yakıt pillerinde anotta açığa çıkan karbondioksit gazının yakıt geçen
kanalları tıkaması, alkali elektrolizörlerde üretilen hidrojen ve oksijen gazlarının
elektrolit direncini arttırması ve elektrot yüzeylerini kaplaması elektrokimyasal
sistemlerde görülebilen iki fazlı akışlardan kaynaklanmaktadır.
İki fazlı akışları incelemek amacıyla 50 cm 2 dairesel aktif alana sahip PEM elektrolizör
hücresi dizayn edilmiştir. Dizaynda konvansiyonel ticari elektrolizörlerde kullanılan
mesh grubundan oluşan akış alanı dizayn ve imal edilmiştir. Geliştirilen ve imal
edilen hücre ile Amerika Birleşik Devletleri’nde NIST’te (National Istitute of
Standarts and Technology, Maryland) bulunan nükleer reaktördeki nötron görüntüleme
sistemi ile farklı akım yoğunluklarında, farklı sıcaklıklarda ve farklı su debilerinde
deneyler yapılmış, anottaki su-oksijen dağılımı elde edilmiştir. Deneylerde iki fazlı
akışın anottaki dağılımının görüntülenebilmesi için katot yüksek debide azot gazı ile
süpürülmüştür. 25 ve 40 o C sıcaklıklarda yapılan deneylerde sıcaklığı su-gaz dağılımına
etki ettiği gözlemlenmiştir. 40 o C sıcaklıkta yapılan deneylerde oksijen gazının
anottaki gözenekli ortamın %35’ini kapladığı tespit edilmiştir. Ayrıca katotta biriken
suyun performansı önemli ölçüde düşürdüğü tespit edilmiştir.
1. Giriş
Hidrojenin enerji kaynağı olarak günlük hayatta yaygın kullanılmasının önündeki
en büyük engellerden birisi temiz ve verimli bir şekilde üretilmesi olmaktadır.
Suyun elektrolizi bu probleme en etkili çözümlerden birisi olarak görülmektedir.
Elektroliz ile hidrojen eldesinin diğer metotlara bazı üstünlükleri bulunmaktadır.
PEM elektroliz ise diğer elektroliz metotlarına göre daha avantajlı durumda bulunmaktadır.
PEM elektrolizörler yüksek verimle çalışmaları (%90), yüksek saflıkta
(>%99,999) ve yüksek basınçta hidrojen üretebilmeleri (>200bar), kompak yapıya
sahip olmaları, yüksek akım yoğunluğunda (>1A/cm2) çalışabilmeleri ve periyodik
bakım gerektirmemeleri nedeniyle son yıllarda hidrojen üretiminde bilimsel dikkatin