Yüksek performanslı elektrokimyasal hidrojen kompresörünün deneysel olarak geliştirilmesi

Abstract

Elektrokimyasal hidrojen (H2) sıkıştırma (ECHC) teknolojisi, H2'nin tek bir adımda sıkıştırılması ve saflaştırılması için umut vaat etmesi nedeniyle son zamanlarda dikkatleri üzerine çekmiştir. Şu anda, H2 üretmenin en yaygın ve en ucuz yöntemi, hidrokarbonların buharla reformasyonudur. Diğer bir deyişle, doğal gaz ve kömür H2'nin en uygun kaynaklarıdır. Bununla birlikte, bu yöntemin dezavantajı, karbon monoksit (CO) ve karbon dioksit (CO2) gibi bazı safsızlıklar yaymasıdır. Bu tez kapsamında yüksek sıcaklık elektrokimyasal H2 kompresörü (HT-ECHC) geliştirilmiştir. H2'nin saflaştırılması ve sıkıştırılması ile ilgili çalışmalarda deneysel bir yöntem kullanılmıştır. ECHC sistemlerinde karşılaşılan en büyük sorunlardan biri katalizörün CO nedeniyle zehirlenmesidir. Bu durum katalizörü kullanılamaz hale getirmekte ve katalizör maliyetleri ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle bu çalışma, CO toleransı yüksek, 140-180 °C arasında çalışan ve düşük güç tüketen bir HT-ECHC geliştirmeyi amaçlamıştır. Bu çalışmada, farklı molar oranlarda H2, CO2 ve CO içeren reformat gazlar kullanılarak PBI membran bazlı HT-ECHC'nin H2 saflaştırma ve sıkıştırma performansı incelenmiştir. Performans testlerinde sıcaklığın HT-ECHC performansı üzerindeki etkisinin en kritik faktörlerden biri olduğu vurgulanmıştır. HT-ECHC'nin performansının CO'nun molar oranının artmasıyla düştüğü gözlenmiştir. Gaz kromatografisi (GC) sonuçları, 160 °C'de >%99,99 H2 saflığının elde edildiğini göstermiştir. Sonuçlara göre H2, 1.5V sabit voltaj ile atmosferik basınçtan 60 bara başarıyla sıkıştırılmıştır.

Energy in the world goes beyond fossil fuels and moves towards green solutions and clean energy is of great importance for a sustainable future. Hydrogen, which is an important clean energy alternative, needs to be purified and compressed effectively in order to become a common energy carrier. Hydrogen compressors, which are widely used industrially today, are mechanical, pneumatic and electrically operated compressors, and their most important disadvantages are vibration and noise caused by their moving parts. However, electrochemical hydrogen compressors allow both electrochemical hydrogen purification from various gas mixtures and compression in a single step with high energy efficiency. In addition, they are quiet as they contain no moving parts. Because of these advantages, they have lower capital costs, longer service life and less maintenance. Electrochemical hydrogen (H2) compression (ECHC) technology has recently attracted attention because it is promising for H2 compression and purification in a single step. Currently, the most common and cheapest method for producing H2 is steam reforming of hydrocarbons. In other words, natural gas and coal are the most affordable sources of H2. However, this method has the drawback of emitting some impurities like carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2). Within the scope of this thesis, a high-temperature electrochemical H2 compressor (HT-ECHC) has been developed. An experimental method has been used for studies on the purification and compression of H2. One of the biggest problems encountered in ECHC systems is the poisoning of the catalyst due to CO. This makes the catalyst unusable, and catalyst costs arise. Therefore, this study aimed to develop an HT-ECHC with a high CO tolerance, operating between 140-180 °C, and consuming low power. In this study, the H2 purification and compression performance of a Poly [2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] (PBI) membrane-based HT-ECHC was investigated using reformed gases containing different molar ratios of H2, CO2 and CO. In the performance tests, it was emphasized that the effect of temperature on HT-ECHC performance was one of the most critical factors. It was observed that the performance of the HT-ECHC decreased with the increase in the molar ratio of CO. The results of the gas chromatography (GC) analysis indicate that >99.99% H2 purity was achieved at 160 °C. According to the results, H2 was successfully compressed from atmospheric pressure to 60 bar with a 1.5V constant voltage.