LaNi5 tabanlı metal hidrürlerde yüzey kaplama ve termal yönetimin hidrojen depolama performansına etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effect of surface coating and thermal management on hydrogen storage performance in LaNi5–based metal hydrides
- Tez No: 1019527
- Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET KAYFECİ, DOÇ. DR. ULAŞ MATİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Enerji, Mechanical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Enerji depolama, Hidrojen enerjisi, Energy storage, Hydrogen energy
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, LaNi5 tabanlı metal hidrürlerin (MH) hidrojen depolama performansını sınırlayan temel faktörlerden biri olan düşük ısıl iletkenlik sorunu ele alınmış ve bu sınırlamanın aşılmasına yönelik malzeme yüzey kaplama modifikasyonları ile reaktör ölçeğinde ısı yönetimi stratejileri bütüncül bir yaklaşımla incelenmiştir. Kaplama temelli malzeme iyileştirmesinin reaktör ölçeğindeki etkisini ortaya koymak amacıyla, kaplamasız ve kaplamalı LaNi5 metal hidrürler farklı besleme basınçları altında değerlendirilmiş ve hidrojen absorpsiyon kinetiği ile reaktör içi sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Bu kapsamda, deneysel çalışmalarda LaNi5 alaşım tozları Cu, Cu/Ag çift katmanlı ve Ag kaplama işlemleri ile modifiye edilmiş; ardından kaplamaların mikroyapısal, faz ve termal özellikleri ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Öncelikle, tozların fiziksel özelliklerinin iyileştirilmesi ve belirli basınç koşulları altında hidrojen depolama verimliliğinin artırılması amacıyla uygun partikül boyutlarına ulaşılmasını sağlayacak şekilde öğütme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Kaplama işlemleri sonucunda kaplamasız tozun 1,2 W/mK olan ısıl iletkenliği, Cu/Ag kaplama ile %511 oranında artarak 7,33 W/mK değerine ulaşmıştır. Karakterizasyon analizleri (SEM, EDX, XRD ve DSC), Cu/Ag kaplamanın parçacıklar etrafında en homojen ve sürekli tabakayı oluşturduğunu ve böylece ısıl direnci en aza indirdiğini doğrulamıştır. Çalışmanın reaktör ölçeğindeki sayısal analizlerinde, referans, ısı borulu ve kanatçıklı ısı borulu olmak üzere üç farklı metal hidrür reaktör (MHR) tasarımı incelenmiştir. Sayısal analizler, kanatçıklı ısı borulu reaktör kullanımının hidrojen absorpsiyon süresini önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Sayısal modelleme sonuçları, Cu/Ag kaplamalı sistemlerin hidrojen absorpsiyon süresini referans reaktörde %71, kanatçıklı ısı borulu reaktörde ise 3–15 bar basınç aralığında %65–70 oranında kısalttığını ortaya koymuştur. Deneysel çalışmalar, referans reaktör için gerçekleştirilmiş olup Cu/Ag kaplamalı malzeme kullanımı durumunda reaktör içi tepe sıcaklığının kaplamasız numune kullanımına göre 98 °C'den 73 °C'ye düştüğünü ve ısının sistemden daha etkin şekilde uzaklaştırıldığını göstermiştir. Ayrıca, simülasyon modelinin genel davranışı yakaladığı, ancak gerçek sistemdeki ısıl dirençler nedeniyle hidrojen depolama kapasitesi ve hız parametrelerini deneysel verilere kıyasla bir miktar yüksek tahmin ettiği saptanmıştır. Elde edilen sonuçlar, farklı reaktör tasarımlarının, özellikle de ısı boruları ve kaplama teknolojilerinin hidrojen absorpsiyon kinetikleri üzerindeki etkisini ortaya koymaktadır. Sonuçlar, Cu/Ag çift katmanlı kaplamanın, güçlü ara yüzey teması ve gelişmiş ısıl iletim yolları sayesinde diğer kaplama türlerine kıyasla daha yüksek etkin ısıl iletkenlik sağladığını göstermiştir. Bu tez, metal hidrür bazlı hidrojen depolama sistemlerinde ısı transferi sınırlamasının aşılmasına yönelik malzeme–reaktör–sistem ölçeğini kapsayan bütüncül ve özgün bir yaklaşım sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis addresses the problem of low thermal conductivity, a key limiting factor in the hydrogen storage performance of LaNi5–based metal hydrides (MH). Material surface coating modifications and reactor–scale heat management strategies, aimed at overcoming this limitation are investigated using a holistic approach. To demonstrate the impact of coating–based material enhancement at the reactor scale, uncoated and coated LaNi5 metal hydrides were evaluated under different feed pressures, and hydrogen absorption kinetics and reactor temperature distributions were studied. In this context, experimental studies were conducted in which LaNi5 alloy powders were modified with Cu, Cu/Ag bilayer, and Ag coating processes; subsequently, the microstructural, phase, and thermal properties of the coatings were characterized in detail. Initially, grinding processes were performed to obtain suitable particle sizes, thereby improving the physical properties of the powders and increasing hydrogen storage efficiency under specific pressure conditions. As a result of the coating processes, the thermal conductivity of the powder, which was 1.2 W/mK in the uncoated state, was increased by 511% with Cu/Ag coating, reaching a value of 7.33 W/mK. Characterization analyses (SEM, EDX, XRD, and DSC) confirmed that the Cu/Ag coating minimized thermal resistance by forming the most homogeneous and continuous layer around the particles. In the reactor–scale numerical analyses conducted in this study, three different metal hydride reactor (MHR) designs were examined: reference, heat pipe, and finned heat pipe. Numerical modeling results revealed that Cu/Ag–coated systems shortened the hydrogen absorption time by 71% in the reference reactor and by 65–70% in the finned heat pipe reactor within the 3–15 bar pressure range. Experimental data obtained for the reference reactor demonstrated that using Cu/Ag–coated material reduced the reactor's peak temperature from 98 °C to 73 °C compared to the uncoated sample and more effectively removed heat from the system. Furthermore, although the simulation model captured the overall behavior, it slightly overestimated the hydrogen storage capacity and rate parameters relative to the experimental data, which is attributed to thermal resistances in the real system. The results reveal the impact of different reactor designs, particularly those incorporating heat pipes and coating technologies, on hydrogen absorption kinetics. The Cu/Ag double–layer coating demonstrated higher effective thermal conductivity compared to other coating types due to its strong interfacial contact and improved thermal conduction pathways. This thesis presents a holistic and original approach encompassing the material–reactor–system scale for overcoming heat transfer limitations in metal hydride–based hydrogen storage systems.
Benzer Tezler
- Yb2O3 katkılanmış -Bi2O3 tabanlı katı elektrolit sisteminin sentezi, karakterizasyonu ve katı oksit yakıt hücresi (SOFC) uygulaması
Yb2O3 doped -bi2o3- based solid electrolyte systems synethesis, characterization and solid oxide fuel cell application
HANDAN ÖZLÜ
- Bilgisayar kontrollü modüler CW CO2 EDL elektronik sisteminin tasarlanarak gerçekleştirilmesi
Başlık çevirisi yok
MEHMET ALTUNER
- Isı borulu metal hidrür tank tasarımının hidrojen şarj işlemlerine etkisinin deneysel olarak incelenmesi
Heat pipe metal hydride hydrogen tank design of charge experimental investigation of the effect of operations
GÖKAN ÖZKUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
EnerjiKarabük ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET KAYFECİ
- Tarihsel gelişimi bakımından TRT'nin yönetim şekli ve hukuk düzeni
Başlık çevirisi yok
KAMİL ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Radyo-Televizyonİstanbul ÜniversitesiRadyo Televizyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EROL CİHAN