Pressure Analysis Investigation of PEM Electrolyzer Cell Used for Green Hydrogen Production

Year 2023, , 1533 - 1541, 01.12.2023

Baran Taşğın , Mustafa İlbaş

https://doi.org/10.2339/politeknik.1210026

Abstract

Increasing environmental concerns with climate change have led many people around the world to demand urgent action, forcing national governments to seek alternatives to carbon-based fuels. In the light of all this, it is of critical importance for our civilization that carbon-based energy sources are rapidly replaced by renewable and sustainable sources without carbon emissions. For this reason, the use of these clean energy sources and the efficiency of the processes in their production is a very important issue. In this study, 3-dimensional, two-phase (hydrogen and water) computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed in a polymer electrolysis membrane cell (PEM). Analysis took place for 30 seconds. The water flow rate was kept constant at 260 ml/min. As a result of the analysis, pressure, gas volume fraction and velocity data in the manifolds and in the electrolysis channels where the electrolysis process takes place were interpreted. While the pressure change in the cell was quite high in the range of 0-1.8 seconds from the beginning of the flow, it was observed that a balance was formed in the pressure distribution after 1.8 seconds. It is understood that the number of channels in the model is a factor for the pressure inside the manifold and the cell. However, it was observed that the unit gas production amount in the cell also changed along the channels.

Keywords

PEM, İki Fazlı Akış, Green Hydrogen, Electrolysis, Two Phase Flow

Yeşil Hidrojen Üretimi Amaçlı kullanılan PEM Elektrolizör Hücresinin Basınç Analizi İncelemesi

Abstract

İklim değişikliğiyle beraber yükselen çevresel kaygılar, dünyada birçok insanın acil eylem talep etmesine yol açarak, ulusal hükümetleri karbon kaynaklı yakıtların alternatiflerini aramaya mecbur bırakmıştır. Tüm bunların ışığında karbon kaynaklı enerji kaynaklarının yerini süratle karbon emisyonu olmayan yenilenebilir ve sürdürülebilir kaynakların alması medeniyetimiz için kritik bir öneme sahiptir. Bu sebeple bu temiz enerji kaynaklarının kullanımı ve üretimindeki proseslerin verimliliği oldukça önemli bir konudur. Bu çalışmada bir polimer elektroliz membran hücresinde (PEM), 3 boyutlu, iki fazlı (hidrojen ve su) hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) analizi yapılmıştır. Analiz 30 sn boyunca gerçekleşmiştir. Su akış hızı 260 ml/dk olarak sabit tutuldu. Analiz sonucunda manifoltlarda ve elektroliz işleminin gerçekleştiği elektroliz kanallarında basınç, gaz hacim fraksiyonu ve hız verileri yorumlandı. Akış başlangıcından itibaren 0-1.8 sn aralığında hücre içindeki basınç değişimi oldukça fazlayken, 1,8.saniyeden sonra basınç dağılımında bir dengenin oluştuğu gözlemlenmiştir. Modeldeki kanal sayısının manifold ve hücre içindeki basınç için bir faktör olduğu anlaşılmıştır. Bununla birlikte hücredeki birim gaz üretim miktarının da kanallar boyunca değiştiği gözlemlenmiştir.     

Keywords

Yeşil Hidrojen, CFD, Elektroliz, PEM, İki Fazlı Akış

References

• [1] Erdener H, Erkan S, Eroğlu E, Gür N, Şengül E, Baç N, “Sürdürülebilir Enerji ve Hidrojen”, ODTÜ Yayıncılık, Kasım (2007).
• [2] Dincer I, Eroğlu I, Öztürk M, “Türkiye İçin Hidrojen Teknolojileri Yol Haritası”, ISBN: 978-605-66381-9-0
• [3] Dincer I., “Covid-19coronavirus: Closing carbon age, but opening hydrogen age”, Int J Energy Res., 44:6093– 6097, (2020).
• [4] Oak Ridge National Laboratory, Carbon Dioxide Information Analysis Center, “Scripps Institute of Oceanography CO2 program, and the U.S. Energy Information Administration”, International Energy Statistics, accessed December 7, (2021)
• [5] Crippa, M., Guizzardi, D., Banja, M., Solazzo, E., Muntean, M., Schaaf, E., Pagani, F., Monforti-Ferrario, F., Olivier, J., Quadrelli, R., Risquez Martin, A., Taghavi-Moharamli, P., Grassi, G., Rossi, S., Jacome Felix Oom, D., Branco, A., San- Miguel-Ayanz, J. and Vignati, E., “CO2 emissions of all world countries- 2022 Report”, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 85-92, (2022)
• [6]Internet: TÜİK, “Sera Gazı Emisyon İstatistikleri, 1990-2020”, Sayı:45862 https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Sera-Gazi-Emisyon-Istatistikleri-1990-2020-45862
• [7] Scita, R., Raimondi, P., Noussan, M. “Green Hydrogen: the Holy Grail of Decarbonisation? An analysis of the technical and geopolitical implications of the future hydrogen economy”, Fondazione Eni Enrico Mattei (FEEM), No: 013.2020, (2020).
• [8] International Renewable Energy Agency (IRENA) (2019), “Renewable Power Generation Costs in 2019”, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, (2019).
• [9] IRENA (2020), “Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5⁰C Climate Goal”, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, (2020).
• [10]. Bloomberg New Energy Finance (BNEF), “Hydrogen Economy Outlook”, 2 , (2020)
• [11]Internet: Wood Mackanzie (2020), “Green hydrogen costs to fall by up to 64% by 2040”,
• https://www.woodmac.com/press-releases/green-hydrogen-costs-to-fall-by-up-to-64-by-2040/
• [12] Tijani A., Barr D., Rahim A, “Computational Modelling of the Flow Field of An Electrolyzer System using CFD”, Energy Procedia, 79:195-203, (2015).
• [13] Vázquez L., Alvarez-Gallegos A., Sierra F.Z., Ponce de León C., Walsh F.C., “Simulation of velocity profiles in a laboratory electrolyser using computational fluid dynamics”, Electrochimica Acta, 55: 3437-3445,(2010).
• [14]Upadhyay M., Kim A.,Paramanantham S., Kim H., Lim D., Lee S., Moon S., Lim H., “Three-dimensional CFD simulation of proton exchange membrane water electrolyser: Performance assessment under different condition”, Applied Energy, Volume 306, Part A, (2022).
• [15] Özdemir S.N., Taymaz İ., “CFD Investigation of Different Flow Field Designs for Efficient PEMFC Performance”, Sakarya University Journal of Science, 25(3), 690-698, (2021).
• [16] İlbaş M., Çimen F.M. ve Kümük B., “Numerical comparison of planar and micro-tubular solid oxide fuel cells”, Journal of Polytechnic, 24(2): 593597, (2021)
• [17] Özdemir, S. N., Taymaz, İ., “A CFD Modeling Study Based on Relative Humidity Effect on PEMFC Performance”, International Journal of Automotive Science And Technology , 5 (3) , 192-198, (2021).
• [18] Yağcı B. E., Sözen A., "Türkiye’nin Enerji Verimliliği Etkinlik Analizi", Journal of Polytechnic, ss. 1-1, (2022).
• [19] İlbaş M., Candan G., "Effects of CO2 Dilution on Flame Stabilization and NOx Emission in a Small Swirl Burner and Furnace", Journal of Polytechnic, ss. 1-1, Ara. (2022).
• [20] Kaya D, Öztürk H, Kayfeci M, “Hidrojen ve Yakıt Pili Teknolojisi”, Bulut M, Umuttepe Yayınları, Cilt No:1, (2017).