OPTIMIZATION, EXPERIMENTAL PERFORMANCE AND TECHNO-ECONOMIC EVALUATION OF PEM AND ALKALINE ELECTROLYZERS

Abstract

ABSTRACT

This study presents the highly efficient and innovative prototypes of a hydrogen generation system. The study was carried out on two types of water electrolyzers, Alkaline and PEM. The protype of both types of electrolyzers were developed to generate the Hydrogen gas in an efficient and cost-effective way. The prototype of the PEM electrolyzer was comparatively of larger scale, developed for the industrial application. The performance of both the electrolyzers was evaluated and amount of hydrogen production through these electrolyzers was calculated. The techno-economic as well as enviro-economic analyses were performed for these electrolyzers. The annual profit (∆YY) and simple payback period (SPP) for these prototypes were also determined. A novel and special chemical mixture, made up from the combination of ammonia, ethyl alcohol, urea, and deionized or distilled water is used in this innovative study to increase the output of Hydrogen gas and reduce its cost. In PEM electrolyzer, the Cr-C coated SS304 bipolar plates were used in the electrolysis cells. The super strong magnets were also mounted on the outer surface of the electrolysis cells of both electrolyzers to improve the performance and efficiency. The performance of the electrolyzers was determined through the experiments and the optimization of the different parameters. In the small-scale study of Alkaline electrolyzer, the rate of hydrogen gas production was obtained as 6 g L-1 while the annual profit (∆YY) is found to be as 1,771.14 € y-1 and the simple payback period (SPP) is calculated as 2.2 y. For Alkaline electrolyzer, the best results were obtained at 30 A current and 12 V voltage. On the other hand, PEM electrolyzer, the production of hydrogen gas (1 MW) for industrial scale was found to be as 6 m3 h–1, whereas the annual profit (∆YY) and the simple payback period (SPP) were calculated as 646,000 € y–1 and 2.32 y respectively. The optimum results for PEM electrolyzer were obtained at 30 A current and 10 V voltage. These results indicate that this system can produce hydrogen more efficiently and economically. The rate of carbon emissions through this system is 0%, hence sustainable and environmentally friendly.

ÖZET

Bu çalışmada, bir hidrojen üretim sisteminin yüksek verimli ve yenilikçi prototiplerini sunmaktadır. Çalışmada iki tip su elektrolizörü, Alkali ve PEM üzerinde gerçekleştirilmiştir. Her iki tip elektrolizörün prototipi, Hidrojen gazını verimli ve uygun maliyetli bir şekilde üretmek için geliştirilmiştir. PEM elektrolizörünün prototipi, endüstriyel uygulama için geliştirilmiş, nispeten daha büyük ölçekliydi. Hem elektrolizörlerin performansları değerlendirilmiş hem de bu elektrolizörler dan üretilen hidrojen miktarı hesaplanmıştır. Bu elektrolizörler için tekno-ekonomik ve çevresel-ekonomik analizler yapılmıştır. Bu prototipler için yıllık kar (∆YY) ve basit geri ödeme süresi (SPP) de hesaplanmıştır. Hidrojen gazının verimini artırmak ve maliyetini düşürmek için bu yenilikçi çalışmada amonyak, etil alkol, üre ve deiyonize veya damıtılmış su kombinasyonundan oluşan yeni ve özel bir kimyasal karışım kullanılmıştır. PEM elektrolizörde, elektroliz hücrelerinde Cr-C kaplama SS304 bipolar plakalar kullanılmıştır. Performans ve verimliliği artırmak için her iki elektrolizörün elektroliz hücrelerinin dış yüzeyine de süper güçlü mıknatıslar monte edildi. Elektrolizörlerin performansı, deneyler ve farklı parametrelerin optimizasyonu yoluyla belirlendi. Alkali elektrolizörün küçük ölçekli çalışmasında paslanmaz çelik SS304 elektroliz hücere plakalar kullanılmıştır, hidrojen gazı üretim oranı 6 g L-1 olarak elde edilirken, yıllık kar (∆YY) 1.771,14 € y-1 ve basit geri ödeme süresi (SPP) olarak bulunmuştur. 2.2 y olarak hesaplanır. Alkali elektrolizör için en iyi sonuçlar 30 A akım ve 12 V gerilimde elde edilmiştir. Öte yandan endüstriyel ölçekte (1 MW) hidrojen gazı üretimi 6 m3 h–1 olan PEM elektrolizörünün yıllık karı (∆YY) ve basit geri ödeme süresi (SPP) olarak hesaplanmıştır. 646.000 € y–1 ve 2.32 y sırasıyla. PEM elektrolizör için optimum sonuçlar 30 A akım ve 10 V gerilimde elde edilmiştir. Bu sonuçlar, bu sistemin hidrojeni daha verimli ve ekonomik olarak üretebileceğini göstermektedir. Bu sistem aracılığıyla karbon emisyonu oranı %0'dır, dolayısıyla sürdürülebilir ve çevre dostudur.