Hydrogen production from water using solar cells powered Nafion membrane electrolyzers

Abstract

Bu çalısmanın amaçları iki ana baslıkta incelemek gerekirse öncelikle proton geçirgenmembran tipinde tek ve çok hücreli elektrolizörler imal etmek daha sonra da buelektrolizörleri zmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü`nde kurulan fotovoltaik paneller ilebiraraya getirerek kampüsümüzde günes enerjisinden hidrojen üretmektir. Katalist kaplımembranlar haricinde, grafit ara ve son yüzeyler, sıkıstırma levhaları, silikon contalar vb.malzemelerin tamamı enstitümüzdeki bilgisayar kontrollü tezgahlarda yapılıp birarayagetirilerek tek ve çok hücreli elektrolizörler imal edilmistir.Yapılan bütün elektrolizörlerde DuPont firmasının Nafion-117 serisi membranlarıkullanılmıs olup ilk asamada 20 cm2 aktif yüzey alanına sahip tek hücreli elektrolizörler imaledilmistir. Degisen akım yogunlugu (0-500mAmp/cm2), çalısma sıcaklıgı (30-50oC) ve subeslemesinde 1-10gr/d hücre verimi gözlenmistir. Görülmüstür ki 30oC de 2.18V olanortalama hücre voltajı 50oC de 1.97V'a düsmüs daha da yüksek sıcaklılara çıkılmayaçalısıldıgında hücre contaları eriyerek gaz kanallarını tıkamıs ve membrana yapısmıstır.mal edilen son tek hücreli elektrolizör tasarımı baz alınarak 5 hücreli bir elektrolizörimal edilmistir. 41.5oC de çalısır iken 500mAmp/cm2 akım yogunlugunda 10.09V gerilim ileçalıabilen bu elektrolizör aynı akım yogunlugunda dakikada 388ml hidrojen çıkısıverebilmektedir. Aynı elektrolizöre fotovoltaik modüller ile enerji verilmis ve mevsimseldeneyler sonucunda, elektrolizör akım yogunlugunun 0 ile 1000mAmp/cm2 arası degisir ikengerilimin 7.5V ile 12.5V arasında degistigi gözlemlenmistir. Maksimum 750ml/d hidrojenüretebilen sistemin günlük üretimi hava kosullarına göre 50 ila 350L arasında degismistir.Elektrolizörden kaynaklanan verim kayıplarının yanısıra, sistemdeki önemli birbaska enerji kaybı da elektrolizör çalısma voltaj aralıgının fotovoltaik panellerin maksimumenerji üretim noktasındaki voltajına olan uzaklıgından kaynaklanmıstır.

The aims of this thesis are two folds; to construct single and multi cell protonexchange membrane electrolyzers and to evaluate the performance of theseelectrolyzers powered by solar panels on Iztech campus. All other parts, except thepurchased membrane electrode assemblies, were designed, manufactured andassembled in our labs.In the construction of single and multiple cell proton exchange membraneelectrolyzers, Nafion-117 based membrane electrode assemblies were used. Graphitebipolar plates, end plates, current collectors and gaskets were machined on institute?scomputer numerical controlled lathe.In the first stage, a single cell electrolyzer with 20cm2 available electrolysissurface areas was examined with a direct current power supply by varying currentdensity (0-500mAmp/cm2), water flow rate (0.05 to 0.5g/cm2min), and temperature(30-50oC). It was found that average cell voltage decreases from 2.18V at 30oC to1.97V at 50oC when the current density is 500mAmp/cm2. Since cell gaskets weresoftened and stick to the membrane above 50oC of operating temperature,temperatures higher than 50 oC could not be tested.Five cell electrolyzer stack was constructed according to the final single celldesign. It was observed that the stack could generate 388ml/min hydrogen under500mAmp/cm2 and 10.09V of the operating condition at 41.5oC. When the stack wasdirectly coupled with a solar array, voltage of the stack was found to vary from 7.5Vto 12.5V and the current density changes from 0 to 1000mAmp/cm2 with respect tothe solar radiance of the day. This results in a voltage efficiency ranging from 98.7%to 60% based on the higher heating value of hydrogen. Electrolyzer powered by solarcells can generate up to 750ml/min hydrogen and total daily production could be ashigh as 350L per day but weather condition greatly affects the production rate.Together with the losses inside the electrolyzer, another important energy loss is dueto voltage mismatches between PV array and electrolyzer in low solar irradianceduring sunrise and sunset.