Hidrojen Yakit Pilleri Ve Pem Yakit Pilinin Analizi Hydrogen Fuel Cells and Pem Fuel Cell s Analysis

7/31/2019 Hidrojen Yakit Pilleri Ve Pem Yakit Pilinin Analizi Hydrogen Fuel Cells and Pem Fuel Cell s Analysis

1/98


2/98

ii

Abdullah Ersan OUZ tarafndan hazrlanan HDROJEN YAKIT PLLER VE

PEM YAKIT PLNN ANALZ adl bu tezin yksek lisans tezi olarak uygun

olduunu onaylarm.

Yrd.Do.Dr.Fadl ELKKOL

Tez Yneticisi

Bu alma, jrimiz tarafndan Elektrik Elektronik Mhendislii Anabilim Dalnda

ykseklisans tezi olarak kabul edilmitir.

Bakan : Prof.Dr.Beycan BRAHMOLU _______________________

ye : Yrd.Do.Dr.Fadl ELKKOL _______________________

ye : Yrd.Do.Dr.Timur AYDEMR _______________________

Tarih : 28/04/2006

Bu tez, Gazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits tez yazm kurallarna uygundur.


3/98

iii

HDROJEN YAKIT PLLER

VE

PEM YAKIT PLNN ANALZ

(Yksek Lisans Tezi)

Abdullah Ersan OUZ

GAZ NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

Nisan 2006

ZET

Hidrojen yakt pilleri gelecekte enerji ihtiyacnn karlanmasnda kullanlacak

gvenli temiz enerji evrim aralardr. Fosil yakt kaynaklarnn hzla

tkenmesi, yaratt evre kirlilii ve enerji verimlilii alternatif kaynak

araylarn hzlandrmtr. Alternatif enerji olarak nkleer ve doal kaynaklar

(Gne, rzgar, jeotermal ve hidroelektrik) dnlmektedir. Ancak bu

kaynaklarla retilen enerjinin fosil yaktlar yerine kullanlmas iin yakt

pillerine ihtiya duyulacaktr. Hidrojen enerji sistemi olarak adlandrlan

sistemde hidrojenin enerji taycs, yakt pillerinin de elektrokimyasal enerji

dntrcs olarak kullanlmas dnlmektedir. Sistemin uygulamasna

ynelik proje gelitirme ve uygulamalar devam etmektedir. Hidrojenin elde

edilmesi, depolanmas, tanmas ve dntrlmesinin en ucuz, kullanl ve

verimli ekilde yaplmas iin bilim adamlar youn almalar iindedirler. Bu

almada hidrojen enerji sistemi ve bu sistemin ana konusu olan hidrojen elde

edilmesi, depolanmas, tanmas ve yakt pilleri konular irdelenmi ve proton

deitiren zar yakt pilinin alma ekli formlize edilerek elde edilen sonular

deneysel sonularla karlatrlmtr.

Bilim Kodu : 905Anahtar Kelimeler : Yakt Pilleri, Proton Deitiren Zar Yakt PiliSayfa Adedi : 85Tez Yneticisi : Yrd.Do.Dr.Fadl ELKKOL


4/98

iv

HYDROGEN FUEL CELLS

AND

PEM FUEL CELL ANALYSIS

(M.Sc. Thesis)

Abdullah Ersan OUZ

GAZI UNIVERSITY

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

April 2006

ABSTRACT

Hydrogen Fuel Cells are clean, safe energy converting tools that are used for

covering the energy needs in the future. The speedy exhaustion of fosil fuels and

its environmental pollution, low energy yield speeded up the new energy

sources. Nuclear and natural sources (Solar, wind, geothermal and

hydroelectric) are thought as an alternative energy. However using these energy

that are produced with these sources instead of fossil fuels need Fuel Cells. In

the hydrogen energy system, hydrogen is the energy carrier and the Fuel Cells

are the elektrochemical energy converter. Research and development and the

application of the Project is going on Scientists are working extensively for

making the production, storage, distribution and convertion of hydrogen in the

cheapest, useful and productive way. In this work hydrogen energy system and

the backbone of the system that is the production, storage, distribution of the

hydrogen and Fuel Cells are examined. In addition, the scheme of the Proton

Exchange Membrane is formulated and the results are compared with the

experimental ones.

Science Code : 905Key Words : Fuel Cell, Proton Exchange Membran Fuel CellPage Number : 85Adviser : Yrd.Do.Dr.Fadl ELKKOL


5/98

v

TEEKKR

almalarm boyunca deerli yardm ve katklaryla beni ynlendiren Hocam

Yrd.Doc.Dr.Fadl ELKKOLa, yakt pilleri konusunu bana sevdiren,

almalarmda beni ynlendiren, desteini yardmn esirgemeyen, kymetli bilgi ve

tecrbelerinden faydalandm Prof.Dr.Beycan BRAHMOLUna , ayrca

Teknisyen Zekeriya ALPAGUTa ve 3 nc HBM K.lnda grevli tm alma

arkadalarma, manevi destekleriyle yaadm tm problemlerde yanmda olan

annem Seval OUZ ve babam Fikret OUZa, bu almadaki en byk destekim

eim Aye Ezgi OUZa teekkr bor bilirim.


6/98

vi

NDEKLER

SayfaZET ........................................................................................................................... iii

ABSTRACT................................................................................................................. iv

TEEKKR.................................................................................................................. v

NDEKLER ............................................................................................................ vi

ZELGELERN LSTES ......................................................................................... ix

EKLLERN LSTES ............................................................................................... x

RESMLERN LSTES .............................................................................................xii

SMGELER VE KISALTMALAR............................................................................xiii

1. GR ...................................................................................................................... 1

2. HDROJEN ENERJ SSTEM ............................................................................. 5

2.2. Hidrojen ......................................................................................................... 6

2.3. Hidrojen Elde Edilmesi.................................................................................. 7

2.3.1. Fosil yaktlardan hidrojen elde edilmesi ............................................ 7

2.3.2. Sudan hidrojen elde edilmesi ........................................................... 10

2.4. Hidrojen Datm ve Depolanmas ............................................................. 11

2.5. Hidrojen Enerji Sistemi Programlar........................................................... 14

3. YAKIT PLLER .................................................................................................. 17

3.1. Yakt Pillerinin Tarihsel Geliimi ................................................................ 17

3.2. Yakt Pilleri.................................................................................................. 19

3.3. Kullandklar Elektrota Gre Yakt Pilleri ................................................... 21

3.3.1. Alkali yakt pili (AFC)..................................................................... 21

3.3.2. Polimer elektrolit veya proton deitiren zaryakt pili (PEMFC)........................................................................... 22


7/98


8/98

viii

ZELGELERN LSTES

izelge Sayfa

izelge 2.1. Hidrojen zellikleri ................................................................................... 6

izelge 2.2. Hidrojen depolama ekli ve younluu .................................................. 13

izelge 2.3. Hidrojen depolama aralar, kapasite ve younluu............................... 14

izelge 3.1. Yakt pilleri genel zellikleri .................................................................. 26

izelge 3.2. Yak

t pilleri kimyasal tepkimeleri .......................................................... 27

izelge 4.1. Polimer zarlarn baz fiziksel-kimyasal zellikleri. ................................ 33

izelge 4.2. Baz elamanlar iin ( T ) deerleri......................................................... 34

izelge 4.3. PEM yakt pili tek hcre kullanlarak yaplan lm deerleri.............. 46

izelge 4.4. Paralel bal PEM yakt pili ift hcre lm deerleri ......................... 49

izelge 4.4. Tek hcre ift membranl PEM yakt pili lm deerleri..................... 55


9/98

ix

EKLLERN LSTES

ekil Sayfa

ekil 2.1. Hidrojen enerji sistemi.................................................................................. 5

ekil 2.2. Doal gazlardan buharlatrma ile H2 elde edilmesi bek resmi. ................. 8

ekil 2.3. Ksmi oksijenleme bek resmi...................................................................... 9

ekil 2.4. Kmr gazlatrlmas bek resmi. ............................................................... 9

ekil 3.1. Alkali yak

t pili ........................................................................................... 21

ekil 3.2. Polimer elektrolitik zar ve fosforik asit yakt pili ...................................... 23

ekil 3.3. Erimi karbonat yakt pili ........................................................................... 24

ekil 3.4. Kat oksit yakt pili ..................................................................................... 25

ekil 3.5. Yakt pilleri polarizasyon erileri .............................................................. 27

ekil 3.6. Yakt pilleri alma prensipleri.................................................................. 28

ekil 3.7. Yakt pillerinin verimlilii .......................................................................... 29

ekil 3.8. Yakt pilleri ile dier enerji kaynaklarnn atk gaz karlatrmas ............ 29

ekil 4.1. PEM yakt pili yaps .................................................................................. 31

ekil 4.2. Tipik yakt pili yn .................................................................................. 32

ekil 4.3. PEM yakt pili gerilim-akm karakteristik erisi ........................................ 38

ekil 4.4. PEM yakt pili kutuplanma erisi ............................................................... 38

ekil 4.5. Yakt hcresi yzeyin g ekimi grafii ................................................... 42

ekil 4.6. Hcre gerilimi ile g arasndaki iliki grafii ........................................... 42

ekil 4.7. Deney dzenei blokemas....................................................................... 45

ekil 4.8. PEM yakt pili gerilim-akm grafii ........................................................... 47

ekil 4.9. PEM yakt pili gerilim-g grafii.............................................................. 48


10/98

x

ekil Sayfa

ekil 4.10. Paralel bal PEM yakt pili ift hcre gerilim-akm grafii .................... 50

ekil 4.11. Paralel bal PEM yakt pili ift hcre gerilim-g grafii ...................... 51

ekil 4.12. Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili yaps................................... 53

ekil 4.13. Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili gerilim-akm grafii ............ 56

ekil 4.14. Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili gerilim-g grafii .............. 57

ekil 4.15. Yakt pilleri tahmini pazar paylar grafii ................................................ 58


11/98

xi

RESMLERN LSTES

Resim Sayfa

Resim 2.1. Kk lekli elektroliz sistemi................................................................ 10

Resim 4.1. 10-12V 1,5 kw g reten yakt pili yn ............................................... 31

Resim 4.2. Deneyde kullanlan PEM yakt pili........................................................... 43

Resim 4.3. PEM yakt pili yandan grn .............................................................. 44

Resim 4.4. lm dzenei ........................................................................................ 44

Resim 4.5. Gerilim-akm lm iin kullanlan l aletleri.................................... 45


12/98

xii

SMGELER VE KISALTMALAR

Bu almada kullanlm baz simgeler ve ksaltmalar aklamalar ile birlikte

aada sunulmutur.

Simgeler Aklama

Ohm

T Termodinamik verimlilik

H Hidrojen

O Oksijen

Pt Platin

Pd Paladyum

Li Lityum

Na Sodyum

K Potasyum

Y Yitriyum

Zr Zirkonyum

Ni Nikel

Co Kobalt

Mg Magnezyum

Fe Demir

Ti Titanyum

Mn Manganez

La Lantan

CH4 Metan

H2O Su

CO Karbonmonoksit

OH- Hidroksit

NaBO2 Sodyum Borat

NaBH4 Sodyum Borhidrit

aq Sulu zelti, Eriyik


13/98

xiii

Simgeler Aklama

g Gaz

Ksaltmalar Aklama

PEM Polimer Elektrolitik ZarProton Deitiren Zar

AMU Atomik Ktle Birimi

AFC Alkali Yakt Pili

PEMFC Polimer Elektrolitik Zar Yak

t PiliProton Deitiren Zar Yakt Pili

PAFC Fosforik Asit Yakt Pili

MCFC Erimi Karbonat Yakt Pili

SOFC Kat Oksit Yakt Pili


14/98

1

1.GR

Tarihe bakldnda savalarn kaynaklara sahip olma amacyla kt grlmektedir.

Gemite retim kaynaklar yani deerli madenler n planda iken bugn enerji

kaynaklar, zellikle petrol alanlarnn kontrol nem kazanmaktadr.

Dnyada kullanlan enerjinin byk blm fosil yaktlardan (petrol ve doal gaz

gibi) salanmaktadr. Fosil yaktlarn yaratt hava kirlilii ve dnya dengesine

verdii zararlar son yllarda daha iyi anlalmtr. Dnya zerindeki fosil yakt

kaynaklar hzla tkenmekte ve gelecekte oluacak enerji ihtiyacnn nasl

karlanaca insanlarn kafasn kurcalayan nemli bir sorun olarak ortaya

kmaktadr.

Gnmzde fosil yaktlara alternatif olarak doal enerji kaynaklar (Gne, Rzgar,

Jeotermal, Hidroelektrik vb.) ve nkleer enerji ele alnmaktadr. Ancak bu

kaynaklarn hibiri fosil yaktlarn en kritik olduu alanda yani tatlarda

kullanlmaya uygun deildir. Bu amala yeni enerji kayna araylar devam

etmektedir. 1800l yllarda ortaya konan ancak fosil yaktlarn kullanmna ynelik

iten yanmal motorlarn kefi ile ihmal edilen yakt pilleri yapm son yllarda uzay

almalarnn yaratt ihtiyalarnda etkisiyle nem kazanmtr.

Yeni yzyln enerjisi olarak adlandrlan Hidrojen Enerjisi, bu araylarn nemli

sonucudur. Yaplan almalar sonucunda maliyetlerin hzla dmeye balamas ve

temiz enerji kayna ihtiyalarnn ortaya kmas, tersine elektroliz olarak da

adlandrlabilecek ilemi gerekletirmeye yarayan sistemi yani yakt pillerini (Fuel

Cell) ortaya karmtr.

Yakt pilleri; Gelecekte ihtiya duyulan enerjinin byk blmn karlamas

dnlen enerji evrim aralardr. Temiz, gvenli ve yksek verimlilik gibi

zellikleri yakt pillerine olan ilgiyi artrmaktadr.


15/98

2

Hidrojen, fosil yaktlar gibi doadan elde edilememektedir. Hidrojen elde etmek iin

ana enerji kayna olarak nkleer ve gne enerjisinin kullanlmas dnlmektedir.

Trkiye ve zellikle de Ankara ili artlarnda metrekareye den gne nm

ykseklii gz nne alndnda bu hidrojen retimi iin fotovoltaik pillerin

kullanlmasnn uygun olaca deerlendirilebilir.

Bu tezin amac, yakt pilleri temelinde Hidrojen Enerji Sisteminin ileyiini

anlatmak, dnyada yrtlen almalar ve retilen projeleri ortaya koymak, ve

yakt pilleri arasnda tanabilir olarak kullanma en uygun olan PEM yakt pilinin

analizini yapmak ve gelecek yllara ynelik planlamalar ve ulalacak noktalar

ortaya koymaktr.

Tezin Birinci blmnde Hidrojen enerji sistemi, Hidrojen elementinin kimyasal

zellikleri, elde edilme yollar, datm, depolanmas ve yrtlen projeler

anlatlacaktr.

Bu blmde vurgulanmak istenen en nemli ey hidrojen elementinin doadan elde

edilen bir maden deil hidrojen enerji sistemi iinde enerji tayc olarak kullanlan

bir ara olduudur. Gnmzde bile pek ok insan bu konuda yanlgya dmekte ve

sanki hidrojeni bir enerji temel kayna sanmaktadr.

Hidrojen sisteminde temel enerji kayna olarak nkleer enerji, gne enerjisi, rzgar

enerjisi ve (her ne kadar temiz enerji kayna amacna ters dse de) fosil yaktlar

kullanlabilmektedir.

Konunun daha iyi anlalabilmesi iin bu blm ierisinde hidrojen enerji sisteminin

genel bir tanmlamas yaplm ve ematize edilmitir.

Temel enerji kayna kullanlarak hangi yntemlerle hidrojen elde edilecei de bu

blm ierisinde ayrntl olarak yer almaktadr. Gnmzde neredeyse yakt pilleri


16/98

3

zerine yrtlen almalar kadar hidrojen depolama iin de almalar

yaplmaktadr. Bu blm ierisinde bu konuya da deinilmi olup hidrojenin

depolanmas ve tanmas ayrntl olarak ele alnmtr. Gnmz uygulamalarndan

rnekler verilmi olup zellikle otomobil zerinde durulmutur.

Birinci blmn son ksmnda ise hidrojen enerji sistemine ynelik uluslar aras

projeler den rnekler verilerek tez konumuz olan yakt pillerinin dnyada ne kadar

nemli bir konuma geldii ayrntl olarak vurgulanmaya allmtr.

Tezin ikinci blm yakt pillerine ayrlmtr. Bu blmde yakt pillerinin genel

alma esaslar ve snflandrmalar anlatlm. Kullandklar elektrota gre

snflandrma baz alnarak ayrntlandrlmtr. Yakt pillerinin karakter zellikleri ve

alma ekilleri ortaya konulmutur.

Bu blm ierisinde gnmzde zerinde youn ekilde almalar yrtlen Kat

Oksit yakt pili (SOFC) zerinde ayrntl durulmutur. Kat Oksit yakt pillerinin

hcre ve tp ekli uygulamalarna yer verilmi ve Yksek G Younluklu (High

Power Density Cell - HPD ) Hcre zerindeki almalar anlatlmtr.

nc blm PEM (Polimer Elektrolytte Membran Polimer Elektrolit Zar) yakt

pili ayrntl olarak anlatlm ve kimyasal analizi yaplmtr. Blm ierisinde bir

hcrenin G analizi yaplarak ideale yakn grafikleri ortaya konmutur.

Yakt pilleri Elektrokimyasal g dntrcs olarak da adlandrlmaktadr. Bunun

sebebi yakt pili hcrelerinde oluan ilevin elektrokimyasal olmasdr. Bu nedenle

bir hcrenin kimyasal yaps, alma eklinin kimyasal ifadesi ve formlasyonu

ortaya konularak analiz edilmeye allmtr. Burada kullanlan formller temel

kimya formlleridir.

Bu blm ierinde deneysel almalara yer verilmitir. Deneysel almada

elektroliz yoluyla hidrojen elde edilmi ve bu hidrojen kullanlarak PEM yakt pilinin


17/98

4

Gerilim, akm grafii karlm g erisi oluturulmutur. Bu blmde yeni bir

tasarm olan tek hcrede ift membranl yakt pili anlatlarak Gerilim, akm grafii

karlm g erisi oluturulmutur.


18/98

5

2. HDROJEN ENERJ SSTEM

Hidrojen enerji sistemi: hidrojen gaznn yakt pilleri yardmyla kimyasal tepkimeye

sokularak elektrik enerjisi retilen sistemlerdir. Yakt pilleri ise temiz, evreye zarar

vermeyen ve yksek verime sahip enerji dnmleridir. Bu sistemde bir buhar

kazan yada trbin kullanlmadan sadece kimyasal tepkime ile elektrik enerjisi

retilir. Hidrojen ve Oksijen arasndaki elektrokimyasal tepkime ile elde edilen ve

verimlilii %90lara kadar ulaabilen bu sistem yakt pilleri olarak da isimlendirilir.

Bu sistemde atk olarak su elde edilmesi temiz enerji olarak adlandrlmasn

salamaktadr.

Hidrojen enerji sisteminin ana konularn Hidrojen, retimi, datm, depolanmas ve

elektrokimyasal enerji dntrc olan yakt pilleri oluturmaktadr. Birinci

blmde Hidrojen, retimi, datm ve depolanmasn ele alacaz.

ekil 2.1. Hidrojen enerji sistemi[1]

SuSu

Ana EnerjiKaynaklar

EnerjiTayc

Elektrik retimi

Ulam

Su buhar

Ev Kamu Sanayi

Enerjikullanmalanlar


19/98

6

2.2. Hidrojen

Doada hidrojenin 3 izotopu vardr. Bunlar: protium, dueterium and tritium dur.

Bilinen standart hidrojen atomu (protium) en basit element olarak bilinir ve bir

proton ve elektrondan oluur. Hidrojen molekl (H2) iki ayrekilde bulunur ortho-

ve para- hidrojen. Her iki ekilde ayn kimyasal zelliklere sahiptir. Oda scaklnda

bulunan hidrojenin %75i ortho- ve %25i para-hidrojendir. Para hidrojen dk

scaklklarda duraan bir yapya sahiptir ve scaklk dtke younluu artar, sv

hidrojenin neredeyse tamam bu ekilde bulunur.

izelge 2.1. Hidrojen zellikleri[1]

Molekl Arl Amu (mol/gr) 2,016

Younluk Kg/m3 0,0838

st Enerji Deeri MJ/kg 141,90

MJ/m3 11,89

Alt Enerji Deeri MJ/kg 119,90

MJ/m3 10,05

Kaynama Scakl K 20,3

Sv Hal Younluu Kg/m3 70,8

Kritik Deerler

Scaklk K 32,94

Basn Bar 12,84

Younluk Kg/m3 31,40

Kendi Kendine yanma scakl K 858

Havada Yanma Limiti (vol.%) 4-75

Havadaki Stoichiometric karm (vol.%) 29,53

Havada Yanma Scakl K 2,318

Difzyon Katsays cm2/s 0,61

zgl Is (cp) kJ/(kg-K) 14,89


20/98

7

Hidrojen renksiz ve kokusuz bir gazdr. Molekl arl 2,016 olup en hafif

elementtir. Younluu havadan 14 kat azdr (Normal artlar altnda 0,08376 kg/m3).

Hidrojen 20,3K ve bir atmosfer basn altnda sv hale gemektedir. Hidrojen ou

yakttan daha yksek enerjiye sahip bir molekldr. Hidrojenin enerji kapasitesi

141,9 MJ/kg olup benzinin neredeyse 3 katna eittir.

2.3. Hidrojen Elde Edilmesi

Bilindii gibi hidrojen doada fosil yaktlar gibi bulunmamaktadr. Ancak fosil

yaktlar iinde de hidrojen bulunmaktadr. Bu nedenle eitli kimyasal ilemler ile

hidrojen elde edilmesi gerekmektedir.

2.3.1 Fosil yaktlardan hidrojen elde edilmesi

Hidrojen fosil yaktlara alternatif olarak dnlse de fosil yaktlarn ierisinde

hidrojen atomu bulunduu da bir gerektir. Bu ksmda fosil yaktlardan hidrojen

elde etme yntemleri ayrntl olarak anlatlacaktr.

Doal gazlardan buharlatrma

Doal gazlardan buharlatrma en etkili ve verimli hidrojen elde etme yntemidir. lk

basamak gaz sentezlenmesi, ikinci basamak su gaz deiimi nc basamak ise gaz

saflatrmasdr. Bu ilem srasnda s 700-925C ye kadar kmaktadr. lem

verimlilii %65-75 olup hidrojen maliyeti 6$/GJdur.

CH4 + H2O CO + 3H2

CO + H2O CO2 + H2

CO + 3H2 CH4 + H2O


21/98

8

ekil 2.2. Doal gazlardan buharlatrma ile H2 elde edilmesi bek resmi[2]

Ksmi oksijenleme

Ksmi oksijenleme doal gazlardan buharlatrmann gerekletirilemedii

neftyandan daha ar hidrokarbonlarda (ethanol ve benzinde) kullanlan bir

yntemdir. Genel olarak ksmi oksijenleme basamakta gerekletirilir. lk

basamak gaz sentezlenmesi, ikinci basamak su gaz deiimi nc basamak ise gazsaflatrmasdr. Bu ilem srasnda s 1150-1315C ye kadar kmaktadr. lem

verimlilii %50 olup hidrojen maliyeti 4$/GJ dir.

CnHm + n/2 O2 n CO + m/2 H2 + heat

CnHm + n H2O + heat n CO + (n+m/2) H2

CO + H2O CO2 + H2 + heat

(artk fueloil de n=1 ve m=1.3)

Doal gazlarda s paralamas

Doal gaz 1400C kadar scak hava ile stlr ve hava akm kesilir. Metan gaz bu

sda ayrlr. Daha sonra s 800C ye drlr ve hidrojen ayrtrlr. Bu ilemde

CO2 olumaz.

Yenidenoluturma

Su GazDeitirme

GazSaflatrmaKkrt

ayrtrma

IskazanmCH4

SlfrBenzin

Buhar

CO2

H2


22/98

9

ekil 2.3. Ksmi oksijenleme bek resmi[2]

Kmr gazlatrmas (Koppers-Totzek process)

Toz haline getirilen kmr scak buhar yardmyla yaklarak kl haline getirilir ve

kkrtn ayrmas salanr oluan rn su ile saflatrlarak karbonmonoksit ve

hidrojenin ayrtrlmas salanr. Bu ilemde verimlilik %97 olup hidrojen maliyeti

12$/GJ dir.

ekil 2.4.Kmr gazlatrlmas bek resmi[2]

Gazlatrmaksm

Su GazDeitirme

GazSaflatrmaHava

ayrtrma

H2S/COSkarmaHava

NitrojenBenzin

CO2

H2

Kkrtgeri

kazanm

Gazlatrmaksm

Su GazDeitirme

GazSaflatrma

Tozlatrma

Kkrtayrtrma

KmrH

Kkr

Havaayrtrma

Hava

Sktrma

Buhar

Kl

Gaz

CO


23/98

10

2.3.2 Sudan hidrojen elde edilmesi

Dnya zerindeki en byk hidrojen kayna su olarak bilinmektedir. Bu nedenle

sudan hidrojen elde edilmesi nemli bir kaynak yaratmaktadr.

Elektroliz

Elektroliz en ok bilinen, kullanlan ve fosil yaktlardan hidrojen elde etmeden 50 yl

daha eski bir teknolojidir. Elektrolizde anot ve katot arasnda oluan elektron akm

ile hidrojen oluturulur. Su iine NaCl, KOH, NaOH katlarak elektrik iletimi

artrlr. Elektroliz iin 1.75-2.05V yeterlidir[3].

lem basamaklar :

Katot tepkimesi 2 H2O (l) + 2 e- H2 (g) + 2 OH (aq)

Anot tepkimesi 2 OH (aq) 1/2 O2 (g) + H2O (l)

Toplam tepkime H2O (l) H2 (g) + O2 (g)

Resim 2.1. Kk lekli elektroliz sistemi[3]


24/98

11

Thermolysis (Dorudan sl ayrtrma)

Su 2000K zerinde kendiliinden hidrojen ve oksijen atomlarna ayrmaya balar.

Ancaks arttka verimlilik artar 2000K %1, 2500K %8.5, 3000K %24. ok yksek

scaklklarda verimli sonular elde edilmesi bu yntemin en byk dezavantajdr[4].

H2O a H2O + b OH + c H + d O + e H2 + f O2

Termokimyasal dnm

Direksl ayrma ok yksek scaklklarda gereklemektedir. Direksl ayrmann

dk scaklklarda gereklemesi iin su ierisine kimyasal maddeler katlmas

gerekmektedir. Su ierisine kimyasal maddeler kartrlarak dkslarda direksl

ayrma gerekletirilmesine termokimyasal dnm denir. 1960lardan beri

kullanlan bir yntemdir. Ancak verimliliin istenen dzeyde olmas iin 2000-3000

kez ilemin tekrarlanmas gerekebilmektedir[5].

Photolysis (Gne ile elektroliz)

Direk gne kullanlarak sudan hidrojen elde etme yntemidir. Su ierisine

redox katalizr, deiik mikro organizmalar katlarak gne yardmyla oluan

kimyasal reaksiyon sonucunda hidrojen elde edilir[6].

2.4. Hidrojen Datm ve Depolanmas

Hidrojen datm ve depolanmas yakt pillerinin geliimi ile birlikte zerinde en

ok dnlen konulardan biri olmutur.

Kapal evrim sistemlerde saf suyun elektrolizi ile Hidrojen elde edilmesi ve uygun

bir tank ierisinde depolanarak ihtiya duyulduunda kullanlmas ngrlmektedir.

Bu durumda bile depolama bir problem olarak ortaya kmaktadr. Bu tankn boyutu,


25/98

12

basn dayanm, imal edilecei malzeme gibi pek ok etken n plana kmaktadr.

Kald ki Hidrojen Enerji Sisteminde enerji tayc olan Hidrojen tatlar (uak,

otomobil vb.), iyerleri, ev ve uzay almalar gibi geni bir alanda kullanlacaktr.

Hidrojen ilk almalarda gaz halinde depolanaca ve tanaca dnlmtr. Bu

durumda yaplacak boru hatlarnn, tama tankerlerinin ve depolama tanklarnn

devasa boyutlarda olmas gerekmitir. Bu nedenle basn altnda tanmas gndeme

gelmi bu da tanklarn basn dayanmn ve dolays ile arln arttrmtr. Bu

ekilde kapasite kstlamalar da ortaya kmtr.

Hidrojen elik tplerde 200 250 atm. Basn altnda depolanrsa elik tpn ktlesi

Hidrojenden 100 kat daha ar olmaktadr. Son yllarda kompozit tpler de

gelitirilmitir. Bu tpler hafif ve daha yksek basnlarda (500700) atm.

Kullanlmaktadr. elik tplerle kyasladkta ktlesi 3 defa azalmtr. Ancak

ktlesinin drlmesine ramen halen ok pahaldr.

Prototip aamasnda olan otomobillerin byk ksm 350 bar basnl hidrojen

tanklar tamaktadr. ABD Chino-California da 350 bar basnl Hidrojen dolumu

yapan bir istasyon 2005 yl ierisinde faaliyete gemitir.

Hidrojenin sv olarak depolanmas da mmkndr. Ancak Hidrojen -253C de

buharlamaya balamaktadr. Sv halde depolanan Hidrojenin byk tanklarda (10

Milyon m civar) gnde yaklak % 0,1i Kck ve tanabilir tanklarda ise gnde %

2-3 buharlama ile kaybedilmektedir.

Hidrojen depolanmas iin Metal Hidritlerden faydalanlmas dnlm

(Hidrojenin kimyasal tepkime ile ar metallere tutturularak depolanmas), ancak

ktle arl yksek olduu iin uygun olmamtr. MgH2 depolama younluu 0,07

kgH2 /kgdr.


26/98

13

izelge 2.2.Hidrojen depolama ekli ve younluu

Depolama ekli kgH2

/kg KgH2

/m

Yksek kapasite

(10-10 4 m)

Yer alt - 5-10

Yer st (Basn altnda) 0.01-0.014 2-16

Metal hidrit 0.013-0.015 50-55

Sv Hidrojen Tank ~1 65-69

Dk Kapasite (Sabit)(1-100m)

Basnl Silindirik 0.012 ~15

Metal hidrit 0.012-0.014 50-53

Sv Hidrojen Tank 0.15-0.50 ~65

Ara Tanklar (0.1-0.5m)

Basnl Silindirik 0.05 15

Metal hidrit 0.02 55Sv Hidrojen Tank 0.09-0.13 50-60

almalarda gelinen aama Hidrojenin daha efektif depolanmas ihtiyacn ortaya

karmaktadr. Bu nedenle almalar bu ynde devam etmektedir.

Gnmzde Bor mineralinden metal hidritlerde olduu gibi Hidrojen depolama

amacyla faydalanma ynnde almalar youn birekilde devam etmektedir. Bu

amala LaNi5 ve NaBO2 genel adlaryla ncl Lantan Nikel alam ve Sodyum

Borat kullanm denenmitir. 2,5 atm. Ve 25C scaklkta saf LaNi5 sv hidrojenden

iki kat sktrlm gaz hidrojenden 12 kat fazla hidrojen depolayabilmektedir. Enerji

younluu olarak ise sv hidrojenden 1,1 kat sktrlm gaz hidrojenden de 9 kat

fazladr[7].


27/98

14

izelge 2.3. Hidrojen Depolama aralar, kapasite ve younluu[8]

Depolama

Arac

erdii

Hidrojen

(kg/kg)

Depolama

Kapasitesi (hacim

iin kg/l)

Enerji

Younluu

(kj/kg)

Enerji

Younluu

(hacim iin

kj/l)

MgH2 0.070 0.101 9,933 14,330

Mg2NiH4 0.0316 0.081 4,484 11,494

VH2 0.0207 - 3.831 -

FeTiH1.95 0.0175 0.096 2,483 13,620

TiFe0.7Mn0.2H1.9 0.0172 0.090 2,440 12,770

LaNi5H7.0 0.0137 0.089 1,944 12,630

R.E.Ni5H6.5 0.0135 0.090 1,915 12,770

Sv H2 1.00 0.071 141,900 10,075

Gaz H2

(100 bar)1.00 0.0083 141,900 1,170

Gaz H2

(100 bar) 1.00 0.0166 141,900 2,340

Petrol - - 47,300 33,500

NaBH4 + 2H2O 4H2 (gaz) + NaBO2 (Borax)

Hidrojenin Sodyum Borat kullan

larak depolanmas

kimyasal denklemi yukar

dakigibidir.

2.5. Hidrojen Enerji Sistemi Programlar

ok deiik fikirler ortaya atlmasna ramen biz burada nemli grdklerimize

deineceiz.


28/98

15

Hydro-Hidrojen projesi Kanada ile Almanya arasnda 100 MWel bir enerji retimini

hedeflemektedir. Bu projeyle Quebecte bulunan ve temiz ve yenilenebilir enerji

kayna olan hidroelektricity kullanlarak elektroliz yoluyla hidrojen elde edilecek

ve avrupaya likit olarak gemilerle nakledilecektir. Avrupaya getirilen hidrojen de

elektrik retme, s kayna, aralarda, uaklarda ve fabrikalarda ayrca doal gazlar

gibi evlerde ve endstri ihtiyalar gibi deiik alanlarda kullanlacaktr[9].

Benzer bir proje Norve ile Almanya arasnda yaplmaktadr. Bu proje ile Norve de

surplus hidro enerji ile hidrojen retilecek. retilen hidrojen sv olarak gemilerle

Almanyaya tanacaktr. Bu proje Alman son kullanclar iin Hydro-Hidrojen

projesine gre daha hzl, ucuz hidrojen retimi, tanmas ve datm zincirini

ngrmektedir[10].

Mini Solar Hydrojen Energy System Nrnberg Almanya da kurulacak Solar-

Wassersoft-Bayer Hidrojen test ve uygulama tesislerinden oluacaktr. Bu tesis

Fotovoltaik piller, elektroliz nitesi, yakt pili, hidrojen depolama nitesi, hidrojen

retimi, hidrojen yakt istasyonu ve hidrojenle alan aralar gibi solar hidrojen

enerji sisteminin btn paralarn barndracaktr[11].

El Jrushi (srailli bilim adam) yksek kapasiteli Hidrojen retiminin Libya

llerinde gne enerjisi ana kaynakl olarak yaplmasn ve Avrupaya ihra

edilmesini projelendirmitir[12].

HYSOLAR projesi Almanya ile Suudi Arabistan arasnda Hidrojen retimini

hedeflemektedir. Bu proje ile Suudi Arabistan da gne enerji panelleri ile elektrik

elde edilecek ve bu elektrik elektrolizde kullanlarak Hidrojen retilecektir. retilen

hidrojen sv olarak gemilerle Almanyaya tanacaktr. Bu proje gelecekte lde

hidrojen retilerek Avrupaya ihra edilmesinin ekonomik, ticari ve teknolojik

olarak uygun ve dizayn edilebilir olduunu gstermitir[13].


29/98

16

Japon WE-NET program (Japon Ticaret ve Endstri Bakanl tarafndan

desteklenmektedir.) en iddial ve byk projelerden biridir. Bu proje iin kritik

Hidrojen teknolojisinin Hidrojen Enerji Sistemi amacyla kullanlabilmesi iin 2020

ylna kadar 3 milyar ABD Dolar harcama yapmay planlamaktadr[14].


30/98

17

3. YAKIT PLLER

3.1 Yakt Pillerinin Tarihsel Geliimi

Yakt pili kavram olarak ilk defa Jules VERNEnin The Mysterious Island

kitabnda ortaya konmutur[15].

water decomposed into its primitive elements and decomposed doubtless, by

electricity will one day be employed as fuel, hydrogen and oxygen which

constitute it, used singly or together, will furnish an inexhaustible source of heat and

light, of an intensity of which coal is not capable, Water will be the coal of the

future.

su iki ana elementine ayrlr ve kukusuz ki elektrikle ayrlabilir bir gn

yakt olarak kullanlacak,suyu oluturan hidrojen ve oksijen ayr ayr yada birlikte

kullanlr, kmr yeterli deilken su tkenmeyecek bir s ve k kayna

olacaktr, su gelecein kmr olacaktr.

Yakt pili, ilk olarak 1839 ylnda suyun elektrolizi konusunda almalar yapan Sir

William Grove tarafndan elektrokimyasal bir tepkime olarak ortaya konmu ve

gerekletirilmitir.

1923 ylnda Haldane rzgar enerjisi ve elektroliz yntemiyle hidrojen elde edilerek

sv hidrojen olarak depolanabileceini ve yakt olarak kullanlabileceini

ngrmtr. Bu ngr 15 yl sonra (1938 ylnda) Sikorsky tarafndan teknik

detaylar ile ortaya konmu ve hidrojenin havaclkta potansiyel yakt olacan da

belirtmitir[16].

1920lerin banda Lawaczek hidrojen ile alan motor, araba ve tren kavramnn

ana hatlarn ortaya koymutur. Bu kavrama gre elektroliz yardmyla hidrojen elde

edilecek ve bylece enerji doal gazlar gibi hidrojen boru hatlar ile tanabilecekti.


31/98

18

1920-1930 dneminde konu zerine almalar devam etmitir. Ayn dnemde Eren

ve ekibindeki mhendisler pek ok ara motorunu multi-fuel sistem, yani hem benzin

hem de hidrojen kullanabilir hale getirmitir[17,18].

lk baarl yakt pili 1932 ylnda Francis Baconun almalar sonucu ortaya

kmtr. Bacon, Mond ve Langer 1959 ylnda bir kaynak makinesine g salayan

5 kilowattlk pratik bir sistem kurmay baarmlardr. Baconun pili daha sonra

modifiye edilerek Amerikan uzay programnda kullanlmtr[19].

1950lerin sonunda NASA (Amerikan Ulusal Uzay Dairesi) insanl uzay

aratrmalar iin panellere g salamak zere aratrmalar balatmtr. Nkleer

reaktrlerin riskli olmas, pillerin ve aklerin ok ar ve ksa mrl olmalar

nedeniyle NASA enerji kayna olarak yakt pillerine nem vermitir. Yakt pilleri

Apollo ve Gemini uzay mekiklerinde gvenli olarak elektrik ve su salayarak uzay

almalarndaki nemlerini ortaya koymulardr.

Gne enerjisi kaynakl hidrojen ekonomisi kavram ilk olarak 1962 ylnda Bockris

tarafndan ortaya konmu, 1965 ylnda Justi tarafndan gelitirilerek ematize

edilmi, 1970 ylnda Bockris ve Triner tarafndan hidrojen ekonomisi olarak

isimlendirilmi, 1971 ylnda Bockris ve 1972 ylnda Bockris ve Appleby tarafndan

formlize edilmi, 1972 ylnda Gregory tarafndan llmtr[20].

1972 ylnda Marchetti Nkleer Hidrojen sistemini ortaya att. Bu sistemde izole

edilmi bir adada nkleer enerji kullanlarak retilen hidrojen svlatrlm olarak

gemilerle tanacak ve kullanlacakt[21].

Bockris 1962 ylnda Amerikan ehirlerinin Gne enerjisi kaynakl hidrojen ile

desteklenmesi iin plan hazrlamtr. Bu plana gre yzer fotovoltaik paneller

oluturulacak, elektroliz ile deniz suyundan hidrojen retilerek boru hatlar ile

ehirlere nakledilecekti. Japonlar tarafndan PORSHE (Planned Ocean Raft System


32/98

19

for the Hydrojen Economy) adlandrlan benzer bir kavram 1979 ylnda Escher ve

Ohta tarafndan ortaya konmutur[22].

1974 ylnda Vezirolu ilk uluslararas hidrojen enerji konferansn dzenlemitir.

THEME (The Hydrogen Economy Miami Energy Conference) konferansnda

herhangi bir ana enerji kayna ile hidrojen retimi ve fosil yaktlar yerine

kullanlabilirlii tartlm, fosil yaktlarn tkenmesi ve bu yaktlarn kullanlmas

ile oluan evre kirlilii ile ilgili sorularn cevaplanmasna allmtr[23].

Balangta hidrojenden yakt olarak faydalanlmas dnlrken yakt pilleri deil

de iten yanmal motorlarda benzin yerine hidrojen yaklmas dnlm ancak

aratrmalar sonucunda yakt pilleri ortaya km, gnmzde ise her geen gn

nemi daha da artmaktadr.

3.2 Yakt Pilleri

Yakt pilleri elektrokimyasal bir sre sonunda dorudan elektrik enerjisi retirler.

Bu srete iten yanmal motorlarda olduu gibi yanma evresi olmadndan temiz

enerji kaynadrlar.

Yakt pillerinde ana enerji kaynandan (Gne, Rzgar, Nkleer vb.) elde edilen

enerji ile nceki blmde anlattmz hidrojen elde etme yntemlerinden biri

kullanlarak elde edilen hidrojen kullanlr. Hidrojen havadaki oksijenle yakt pili

aracl ile yanarak su oluturur. Tepkime egzotermik olup s aa kar ancak

oluan s ok yksek deerde olmadnda su ile yakt pili dna atlr yksek s

reten yakt pillerinde ise ayrca soutma ihtiyac duyulabilir.

Genel olarak bir yakt pili yle alr;

Anotta hidrojen molekl elektron verir ve H+ekline dnr,


33/98

20

Elektronlar d hat ile katota doru ilerlerken bizim ihtiyacmz olan elektrikenerjisini retirler.

Hidrojen iyonlar yakt hcresinin tipine gre farkllk gsteren elektrolittengeerek katota ular.

Katota geen hidrojen iyonu ve havada bulunan oksijen d hattan gelenelektronlarla birleerek su oluturur.

Yakt pilleri kullandklar yakta, elektrolit cinsine ve alma scaklna gre farkl

isimler alr.

Yakt pillerinin kullandklar yakta gre:

1. Proton geiren polimeri zarl yakt Pili (PEMYP)2. Direk metanol yakt pili (DMYP)3. Alkali yakt pili (AYP)4. Fosforik asit yakt pili (FAYP)5. Erimi karbonatl yakt pili (EKYP)6. Kat oksitli yakt pili (KOYP)7. Rejeneratif yakt pili (RYP)8. Silindirik yakt pili (SYP)

Yakt pillerinin alma scaklklarna gre:

1. Dk scaklkta alan yakt pilleri ( 0-1000C )

2. Orta scaklkta alan yakt pilleri ( 100-5000C )

3. Yksek scaklkta alan yakt pilleri ( 500-10000C )

Yakt pillerinin kullandklar elektrolite gre:

1. Alkali elektrolitli yakt pilleri

2. Kat polimerili yakt pilleri


34/98

21

3. Fosforik asit yakt pilleri

4. Erimi karbonatl yakt pilleri

5. Kat oksitli yakt pilleri

3.3. Kullandklar Elektrota Gre Yakt Pilleri

3.3.1. Alkali yakt pili (AFC)

Elektrolit olarak %85 konsantrasyonunda KOH ( potasyum hidroksit) kullanlr ve

alma scakl 250C dir. %35-50 konsantrasyonda KOH kullanldnda alma

scakl 120C altna der. Katalizr olarak Ni (nikel), Ag (gm), metal oksitler

veya zel baz metaller kullanlr.

Anot: H2 (g) + 2 (OH)- (aq) 2 H2O (l) + 2e

-

Katot: O2 (g) + H2O (l) + 2e- 2 (OH)- (aq)

Toplam: H2(g) + O2 (g) H2O (l)

ekil 3.1. Alkali yakt pili[24]

Alkaliyakt pili

Elektronak

Yk

Hidrojen

Su

Anot KatotElektrolit

Hidroksitiyonlar

Oksijen


35/98

22

3.3.2. Polimer elektrolit veya proton deitiren zar yakt pili (PEMFC)

Elektrolit olarak yapsnda flor bulunduran ve sulfonik asit polimerleri gibi iyon

deitirebilen ok ince polimer zar kullanlr. 12-20 mikron seviyesinde kalnlklar

vardr. Zar inceldike verimlilii artar. Katalizr olarak anot ve katotta Pt (platin)

veya Pd (paladyum) gibi metaller kullanlmaktadr. alma scakl genellikle

100C altnda olup tipik alma scakl 60-80C dir.

Anot: H2 (g) 2 H+ (aq) + 2 e-

Katot: O2 (g) + 2 H+ (aq) + 2 e- H2O (l)

Toplam: H2 (g) + O2 (g) H2O (l)

3.3.3. Fosforik asit yakt pili (PAFC)

Elektrolit olarak %100 fosforik asit kullanlr. alma scakl 150-220C dir.

Katalizr olarak anot ve katotta Pt (platinum black) veya Pd (paladyum)

kullanlmaktadr.

Anot: H2 (g) 2 H+ (aq) + 2 e-

Katot: O2 (g) + 2 H+ (aq) + 2e- H2O (1)

Toplam: H2 (g) + O2 (g) + CO2 H2O (1) + CO2


36/98

23

ekil 3.2. Polimer elektrolitik zar ve fosforik asit yakt pili [24]

3.3.4. Erimi karbonat yakt pili (MCFC)

Elektrolit olarak Li (lityum), Na (sodyum), K (potasyum) gibi alkali karbonatlarnn

LiAlO2 biimindeki seramikleri kullanlr. alma scakl 600-700C dir.

Katalizr olarak anotta Ni (nikel) katotta ise nikel oksitler kullanlmaktadr.

Anot: H2 (g) + CO32- H2O (g) + CO2 (g) + 2 e

-

Katot: O2 (g) + CO2 (g) + 2 e- CO3

2-

Toplam: H2 (g) + O2 (g) + CO2 (g) H2O (g) + CO2 (g)

Fosforik asit ve P.E.M.yakt pili

Yk

Hidrojen

Elektronak

Su


Hidrojen

iyonlar

Oksijen


37/98

24

ekil 3.3. Erimi karbonat yakt pili [24]

3.3.5. Kat oksit yakt pili (SOFC)

Elektrolit olarak kat, gzeneksiz metal oksitler genellikle Y2O3 ile desteklenmi

ZrO2 kullanlr. alma scakl 650-1000C dir. Katalizr olarak anotta Co-ZrO2

veya Ni-ZrO2 katotta ise Sr ile desteklenmi LaMnO3 kullanlr[25].

Anot: H2 (g) + O2- H2O (g) + 2 e

-

Katot: O2 (g) + 2 e- O2

-

Toplam: H2 (g) + O2 (g) H2O (g)

Erimi karbonatyakt pili

Yk

Hidrojen

Elektronak

Su


Karbontrioksit

iyonlar

Oksijen

Karbondioksit


38/98

25

ekil 3.4. Kat oksit yakt pili[24]

Yakt pilleri arasnda zerinde en ok aratrma yaplan PEM ve SOFCdir. Kat

oksit yakt pilleri yksek sda alan ( 650-1000 C) ancak yksek enerji

kapasitesine sahip yakt pilleridirler.

Yksek sda almalar nedeniyle tanabilir platformlarda kullanlmalar mmkn

olmamaktadr. Ancak hem alma ssndan stma amacyla faydalanlabilmesi hem

de doalgazlarn hibir ileme tabi olmadan kat oksit yakt pillerinde yakt olarak

kullanlmalar da ev ve ofis uygulamalar iin avantaj yaratmaktadr.

Yksek enerji kapasiteleri nedeniyle kat oksit yakt pillerinin yaygn bir kullanm

alan da elektrik santralleri olaca tahmin edilmektedir.

Kat oksityakt pili

Yk

Hidrojen

Elektronak

Su


Oksijeniyonlar

Oksijen


39/98

26

izelge 3.1. Yakt pilleri genel zellikleri[1]

Fosforik

asit

yakt pili

Alkali

yakt pili

Erimi

karbonat

yakt pili

Kat oksit

yakt pili

Proton

deitiren zar

yakt pili

Elektrolit Fosforik

asit

Potasyum

hidroksit

Karbonat inko

zerine

tutturulmu

Yitrium

(YSZ)

yon

deitirici

polimer zar

alma

scakl(C)

200 100-250 600-700 650-1000 50-80

Yk tayc H+ OH- CO3-2 O2

-2 H+

Hcre

malzemesi

Karbon Karbon Seramik Nikel,

paslanmaz

elik

Karbon

G

younluu

(W/kg)

120-180 35-105 30-40 15-20 350-1500

Katalizr Platin Nikel,

gm

Nikel Zirkonyum Platin

Yakt pillerinin genel yaplar izelge 3.2de verilmitir. izelgede btn yakt

pillerinin alma scaklklar incelendiinde en dk ve pratik uygulamann en

kolay olduu soutma iin zel yap oluturulmasna en az ihtiya duyulann proton

deitiren zar yakt pili olduu grlmektedir.

ekil 3.9da yakt pilleri polarizasyon erileri grlmektedir. Grafikte verilen eriler

diren kayplarnn olduu yani gerekte bizim bu pilleri altrmamz gereken

blgeyi gstermektedir. Proton deitiren zar yakt pilinin akm deerinin dierlerine

gre daha yksek olduu grlmektedir.


40/98

27

ekil 3.5. Yakt pilleri polarizasyon erileri [1]

izelge 3.3de yakt pillerinin kimyasal tepkimeleri grlmektedir. Kimyasal

tepkimeler yakt pillerine gre deitii gibi izelge 3.2den grld gibi akm

tayc iyon da deimektedir.

izelge 3.2. Yakt pilleri kimyasal tepkimeleri[1]

Yakt pili tipi Anot tepkimesi Katot tepkimesi

Alkali H2 + 2 (OH)- 2 H2O + 2e

- O2 + H2O + 2e- 2 (OH)-

Polimer

elektrolitH2 2 H

+ + 2 e- O2 + 2 H+ + 2 e- H2O

Fosforik asit H2 2 H+ + 2 e- O2 + 2 H

+ + 2e- H2O

Erimi

karbonatH2 + CO3

2- H2O + CO2 + 2 e- O2 + CO2 + 2 e

- CO32-

Kat oksit H2 + O2- H2O + 2 e

- O2 + 2 e- O2

-

Hcre

Gerili

mi

(V)

Akm Younluu (mA/cm3)


41/98

28

ekil 3.6. Yakt pilleri alma prensipleri

ekil 3.10da tm yakt pillerinin akm tayc iyonlar, tepkimeye giren molekller

ve katalizrler grlmektedir. Burada dikkati eken unsur tm yakt pillerinin

Anot-Elektrolit-Katot yapsnda olmasdr.

ekil 3.11de yakt pillerinin verimlilii ortaya konmaya allmtr. Fosil yaktlarn

verimliliinin %33 olduu gz nnde tutulursa tm yakt pillerinin fosil yaktlardan

daha verimli olduu grlmektedir.

ekil 3.12de ise yakt pilleri ile dier enerji kaynaklarnn atk gaz karlatrmas

yaplmtr. Grafikten grlecei gibi yakt pillerinin atk gaz neredeyse 0 (0,04) iken

Yakt Oksi en

Anot Elektrolit Katot

Atk yakt vern gaz k

Atk oksijen vern gaz k

Yk


42/98

29

fosil yaktlarn 24,9 ( pound/1000 kWh )dur. Bu durum da yakt pillerinin dnya iin

ne denli nemli temiz enerji evrim arac olduunun ak bir ispatdr.

ekil 3.7. Yakt pillerinin verimlilii [26]

ekil 3.8. Yakt pilleri ile dier enerji kaynaklarnn atk gaz karlatrmas

Verim

lilik(%)

Sistem c MW

Fosil yakt Microtrbin Birletirilmi Yakt pilidnml gaz

trbiniNOx, CO, SOx, Hidrokarbon ve partikl miktar olarak (pound/1000kWh)

Fosil

YaktlarOrtalamaVerimi(%33)


43/98

30

4. PEM YAKIT PL, ALIMASI, VERMLLK HESABI VE

LMLER, PEM TABANLI ENERJ SSTEM KURULMASI VE

YAKIT PLLERNN GELECE

4.1. Polimer Elektrolit veya Proton Deitiren Zar Yakt pilinin almas

Temel olarak ince iyon ( H+ ) ileten polimer zar zerine kaplanm teflon gibi uygun

maddeyle yaplm anot ve katotlar olan bunlarn zerinde elektron toplayclar

bulunan yakt pilidir.

Polimer elektrolit yakt pilinden elektrik retimi u ekilde gereklemektedir:

Anot tarafndan gelen hidrojen zar zerindeki katalizre gelir. Katalizrle temas eder

ve elektron vererek ( H+ ) iyonuna dnr.

H2 2 H+ + 2 e-

yon haline dnen hidrojen sadece hidrojen iyonunu geiren zar boyunca

ilerleyerek katota ular. Bu srada hidrojen tarafndan verilen elektron d devreden

dolaarak bizim ihtiya duyduumuz elektrik akmn retir.

Katotta hava ierisinde bulunan oksijen katotta bulunan platin aktif yzeye ular.

Platin aktif yzeyde zar ierisinden geen hidrojen iyonu ve d devreden gelen

elektronlar ile birleerek suyu oluturur.

O2 + 2 H+ + 2 e- H2O

Toplam tepkime

H2 + O2 H2O + heat


44/98

31

ekil 4.1. PEM yakt pili yaps

eklinde ifade edilir. Tepkime sonucunda oluan s katottan sistemi terk eder.

Oluan s ise su ile sistemden uzaklatrlr. Oluan su younlua bal olarakstma

amacyla kullanlabilecei gibi uzay almalarnda olduu gibi ime suyu olarak da

kullanlabilir. PEM yakt pili sistemi eer hibrit bir yapda ise dardan soutma

ihtiyac duyulabilir.

Resim 4.1. 10-12V 1,5 kW g reten yakt pili yn


45/98

32

ekil 4.2. Tipik yakt pili yn[1]

PEM yakt pilinden elde edilecek Gerilim ideal olarak 1,229Vtur (1 atm. 25).

Ancak uygulamada bu deer ortalama 0,6Va kadar dmektedir. stenilen Gerilim

ve akm deerine ulamak iin PEM yakt pilleri seri ve paralel olarak balanr.

Oksijen giriiHidrojen k

Hidrojen giriiOksijen ve suk

Anot

Elektrolit

Katot

Balant ubuu

Sonlandrc

Tayc yzey

ki kutuplu ayrc


46/98

33

izelge 4.1. Polimer zarlarn baz fiziksel-kimyasal zellikleri

Zar Kalnlk

(M)

Su miktar

(%)

Geirgenlik

(C/cm)

Nafion 117 175 34 0.020

Nafion 115 100 35 0.050

Nafion 112 60 36 0.100

Dov 125 54 0.114

Flemion 120 35 0.076

BAM3G 120 87 -

NASTAI 170 60 -

NASTATHI 120 30 -

Aciplex-S1104 120 43 0,108

MF-4CK 120 40 -

4.2. Yakt Hcresinin Verimlilik Hesab

Sistemin verimlilii, sistemden alnan enerjinin, sisteme verilen enerjinin miktarna

olan orandr. Verimlilik, Termodinamik (ideal) ve gerek olarak hesaplanmaktadr.

Termodinamik (ideal) verimlilik (T) sl yani s veren yapdadr. Is tekniinde

ideal termik dnm faktr reaksiyonun yaratt maksimum iin entalpiye

oranyla gsterilir.

(T) = G /H = 1- (T S /H) .

Elektrokimyasal eleman iin bu denklemi doru kabul edersek aadaki eitlii

yazmamz mmkndr

(T) = - nFEe / (H).


47/98

34

Elemanda oluan reaksiyon H < 0 olduunda

S < 0 T < 1,

S = 0 T = 1,

S > 0 T > 1,

izelge 4.2. Baz elamanlar iin ( T ) deerleri

Akm douran reaksiyon Ee,V

(Dengede)

( Ee/T)298

Mv/K

T

(deal)

e

(Elektrik)

H2 + 1/2O2 = H2Os 1,23 -0,85 0,83 0,978

H2 + 1/2O2 = H2Og 1,19 -0,23 0,94 -

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2Og 1,04 -0,01 1,0 -

C + O2 = CO2 1,02 0,01 1 0,95

C + O2 = CO 0,71 0,47 1,2 0,334

CO + O2 = CO2 1,33 -0,45 0 0,93

Grld gibi baz elamanlarn bu metot ile ideal termodinamik verimlilii

hesaplandnda, verimliliin birden byk olduu grnmektedir. Buda

termodinamik kurallarna terstir. EerS > 0 olduu durumu teorik olarak elemann

evreden s yuttuu ile izah edilmesi mmkndr. Buna gre elamann ideal termik

verimlilik denklemi, bu durum iin evreden s yutulduunu gstermektedir.

Qcev. = - TS.

ten yanmal motorlarda ideal termodinamik verimliliini , TT

TT = (T2-T1) / T2

Burada T1 ve T2ten yanmal motorun scaklk araln gstermektedir.


48/98

35

Hesaplamalar gstermektedir ki ( hatta 15000C bile) iten yanmal motorlarn TT

deerleri yakt pillerinden %30 - %40 dktr.

Genel verim e dersek, sistemden ayrlan k alannn eck. Aygta dahil olan k

alannn eir. Orann gstermektedir.

e =eck. / egir.

Burada - eck ve egir uyun olarak k alannn k ve giri gstermektedir.

k (i grme kabiliyeti) bir ksm enerjinin snrsz olarak ie veya bir baka enerji

formasna dnmesini gstermektedir.

Elemanlar iin, ideal k verimi her zaman bire eittir. deal k veriminin

aadaki denklemle ele alnmas mmkndr.

1e = nFEe / (eo + ei)

Bu durumda eo , ei - reaksiyon rnnde oksitlenme ve indirgenmedir.

4.3. Yakt Pillerinin Gerilim/Akm Karakterizasyonlar

Yakt pillerini karakterize eden esas parametreler gerilim, akm dolaysyla da g

dr. Volt/Amper karakteristiine gemeden nce normal elektrot potansiyelini ve

elektrokimyasal sistemlerde kutuplanma tiplerini ksaca tanmlayalm.

Her bir elektronik iletkenlie sahip metal ve yar iletken malzeme elektrolitle temas

halinde olduunda, bu malzemenin elektrolitle kontak snrnda mikro kondansatr

oluur. Sz konusu mikro kondansatr elektrik yklerinin yeni bir dizilii sonucudur.

Bir baka deyile, iki eitli faz arasnda (hava-metal, metal-metal, metal-elektrolit

v.b.) oluan kontak potansiyel farkn gstermektedir ki buda bir metal ve veya


49/98

36

iletken malzeme ile iyonik elektrolit arasnda olutuunda daha aka

grnmektedir.

Bu potansiyel farkna elektrot potansiyeli denir (E0) ve herhangi bir bavuru

(kyaslama) elektroduna gre llebilir. eitli elektrot tipleri mevcut olduundan

(metalik, gaz, redox v.s.) her bir hal iin bu hale zel formlle hesaplanr.

Her bir yakt pili basit halde iki elektrottan oluur.

rnein H2 | O2 yakt pili hidrojen ve oksijen yar hcrelerde oluur.

PEM polimer elektrolit zar kullanld iin anot (-) H2 | Katalizr | PEM oluur. Her

iki elektrotta kullanlan gazlarn basncna bal olarak ak devre koullarnda

hidrojen ve oksijen arasnda olan potansiyel fark (elektromotor kuvveti) en yksek

deerde olur :

E = E0+ (RT)/(2F) ln[(PH2 PO2 / PH2O]

Burada;

P - ksmi basnc gstermektedir.

E0= -G0 /nF ise standart elektromotor kuvvetidir.

Elektrotlar arasndaki potansiyel farkna yakt pillerinin gerilimi denir.

Yakt pillerinde oluan gerilim ack devre, denge durumu ve sabit gerilimi olarak bir

birlerinden farkllarlar.

Eer bu fark ak devre halinde ise buna ak devre gerilimi denir ve bu halde en

yksek deere ulamaktadr.


50/98

37

Eer elektrotlarda denge hali olmumusa, bu elektrot da oluan potansiyele denge

halinde ki potansiyel denir ve Ua.d. = Edengeekilde yazmamz mmkndr.

Fakat genelde elektrotlarda denge hali olumaz ve bu durumda oluan potansiyeller

genelde duraan, kark, statik v.s. eklinde adlandrlr.

Sistem elektik retirken veya sistemden elektrik akm geerken sistemin gerilimi

elektro motor kuvvetinden farkl olur.

Pil Halinde U=Ee+Ee-Uom

Burada :

Ee -akm geerken elektrotun toplam kutuplanmay tanmlyor.(akm altnda

elektrot potansiyeli ile akm olmadan oluan elektrot potansiyelleri arasndaki fark.)

Bu farkn oluma nedeni ise akm altnda olan elektrotta oluan elektrokimyasal,

kimyasal veya difzyon sreleridir.

Ee denge halinde elektrot potansiyelleri.

Uom Akmn herhangi bir aktif direnten getiinde harcanan gerilim paydr.

Pratikte yakt pilinin tanmlamas iin volt-amper erisinden yararlanlr.

Bu eri aadaki gibidir;


51/98

38

ekil 4.3. Yakt pili gerilim-akm karakteristik erisi

ekil 4.4. PEM yakt pili kutuplanma erisi

Aktivasyon kutuplanmas(Elektrokimyasal lev)

Konsantrasyon kutuplanmas(Difzyon levi)

Diren kayplar

Akm younluu

Hcrevoltaj


52/98

39

Grafikten grnd gibi 3 blge mevcuttur;

Birinci blge: Gerilimin ok hzl deitii durumdur. Blgede kutuplanmann ve

dolaysyla gerilimin nedeni elektro kimyasal srecin en dk hzda olmasdr. Bu

halde akmla gerilim deimesi arasndaki fonksiyon stel olarak deiir.

Bu blgede Anotta hidrojenin iyonlamas:

H H+ + e-

Katotta:

O +2H+ + 2e- H2O

ndirgenme reaksiyonlarnn olutuunu sylememiz mmkndr.

kinci blge : Aktif direnten dolay gerilimin azalmasn gsterir. Azalma erisi

dorusal olarak azalan fonksiyon ile tanmlanabilir. .

nc blge : Gerilim hzl Akmn ise ok dk hzla deitii blgedir. Bunun

nedeni ise her iki elektrotun difzyon ve elektrokimyasal kutuplanmas ile izah

edilmektedir. Bu blmde akm yksek olduu iin zar ierisinden gei ok

hzlanmakta ve neredeyse zar yokmu gibi atomlar anotdan katoda gemekte yani

dfize olmaktadr.

Her hal iin ayr-ayr akmla akm-gerilim arasnda olan analitik ifadeler

aadaki gibidir.

Elektro kimyasal ilev en zayf hzl aama olduundan ;

J = J0 {exp [( nF ) Eelk] - exp [( -nF ) Eelk] }

RT RT


53/98

40

Burada J0 denge potansiyelinde akm younluu olup aadaki formlle hesaplanr;

J0 = NFkOKCRexp [( nF ) Er] = NFkRCox exp [( -nF ) Er]

RT RT

Akm younluunun byk deerlerinde;

J = J0 exp [( nF ) Eex] veya EX = -2,3RT log 2,3RT logJ = a+b logJ

RT nF nF

Grld gibi elektrokimyasal kutuplanmas akm younluunun logaritmik bir

fonksiyonudur.

Kimyasal polarizasyonun neticesinde (EK) ile akm younluu arasnda bant

E = + RT ln (1- i )

nF ilim

Burada ilim akmn younluunun limit deerini gsterir.

ilim = nFkVkimCm uygun geliyor.

Burada Vkim kimyasal reaksiyonunun hzn gstermektedir.

k reaksiyon hz sabiti

C kimyasal malzemelerin younluu

m reaksiyonun ss

Difzyon polarizasyonunun nedeni reaksiyon sonucu oluan malzemelerin elektrot

yzeyinde difzyon edilmesinin ok dk hzda olmasdr.


54/98

41

Bu halde polarizasyonla akm younluu arasndaki iliki aadaki gibidir.

E = 2,3RT log (1- J )

nF JD

Burada JD = difzyon akmn limit deeri olup aadaki formlle hesaplanr.

JD = nFDCV /

Burada D difzyon katsays olup birok iyon ve molekller iin yaklak 10-9 m2/sn

dir.

CV kimyasallarn hacimsel konsantrasyonlar.

difzyon tabakasnn kalnldr.

4.4. Yakt Pilinin Gc

Elektriksel g ifadesi P = V.I dir.

Eer yakt pilinin gerilim/akm erisi belli ise o zaman erinin istenen noktasnda

g hesaplanabilir. Aslnda gerilim/akm erisinde hcre gerilimi ile akm

younluu arasnda grafik oluturulduunda bu grafik zerinde Pyi watt/cm2 yani

yzeyin g ekimi dier bir ifadeyle yakt pilinin gc gzkr.

ekil 4.5den grld gibi maksimum g yaklak olarak 0,5 wattdr.


55/98

42

ekil 4.5. Yakt hcresi yzeyin g ekimi grafii

ekil 4.6. Hcre gerilimi ile g arasndaki iliki grafii

mA

Watt


56/98

43

4.5. PEM Hcresi lmleri

nceki ksmda PEM yakt pilinin alma ekli kimyasal formllerle izah edilerek

gerilim/akm karakteristii ve g erisi izilmitir. Bu blmde ise deneysel

lmlerle analiz yaplmaya allacaktr.

Analiz iin resimde grlen 7x7 cm Nafion-117 zar kullanlmtr.

Resim 4.2. Deneyde kullanlan PEM yakt pili

Deney iin elektroliz yoluyla elde edilen Hidrojen kullanlm 2 l aletiyle

(Fluk77) anlk olarak Gerilim ve akm deerleri okunarak kayda geirilmitir. Yk

olarak ayarl diren kutusu (1433-B Decade Resistor.) kullanlmtr. Ancak

minumum deer 1 olduu iin en dk deer 0,01 dirence sahip kablo

kullanlarak llm olup yakt pilinin i diren deerine yakn bir deer olduu

dnlmektedir. Oluturulan dzenek Resim 4.4de grlmektedir.


57/98


58/98

45

Resim 4.5. Gerilim-akm lm iin kullanlan l aletleri

ekil 4.7. Deney dzenei blokemas

Yaplan lmlerde diren kademesi deitirilerek yk zerinde oluan gerilim ve

yk zerinden geen akm deerleri llerek kaydedilmitir. lm deerleri

izelge4.3de verilmitir. Bu deerler bir grafik altnda toplanarak PEM yakt pilinin

gerilim/akm ve g karakteristii izilmitir.


59/98

46

izelge 4.3 PEM yakt pili tek hcre kullanlarak yaplan lm deerleri

Diren () Gerilim ( mV) Ak m (mA) G (mW)0,01 25 240,00 6,00

1 170 180,00 30,602 263 150,00 39,453 350 130,00 45,504 430 120,00 51,605 500 110,00 55,006 545 92,28 50,297 576 85,00 48,968 593 80,00 47,449 606 70,00 42,42

10 616 65,00 40,0420 622 34,10 21,2130 628 23,06 14,4840 685 16,95 11,6150 691 13,80 9,5460 697 11,65 8,1270 703 10,07 7,0880 704 8,86 6,2490 707 7,98 5,64

100 725 7,21 5,23200 730 3,70 2,70300 735 2,48 1,82400 749 1,88 1,41

500 752 1,44 1,08600 765 1,23 0,94700 766 1,05 0,80800 767 0,94 0,72900 768 0,83 0,64

1000 769 0,74 0,572000 771 0,37 0,293000 772 0,26 0,204000 774 0,19 0,155000 775 0,15 0,126000 781 0,13 0,107000 784 0,11 0,09

8000 788 0,10 0,089000 792 0,09 0,0710000 830 0,08 0,0720000 870 0,04 0,0330000 930 0,03 0,0340000 970 0,03 0,0350000 981 0,02 0,0260000 990 0,02 0,0070000 1,005 0,01 0,0080000 1,015 0,01 0,0090000 1,029 0,01 0,00

100000 1,035 0,00 0,00


60/98

Gerilim - Ak

m Karakteristii

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250

Akm (mA)

Gerilim

(mV)

ekil 4.8. PEM yakt pili gerilim-akm grafii


61/98

Gerilim - G Erisi

-10,00

0,00

10,00

20,0030,00

40,00

50,00

60,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9

Gerilim (mV)

G(m

W)

ekil 4.9. PEM yakt pili gerilim-g grafii


62/98

49

izelge 4.4. Paralel bal PEM yakt pili ift hcre lm deerleri


1 227 220,00 49,942 373 180,00 67,143 512 172,00 88,064 637 159,00 101,285 655 131,00 85,816 663 111,00 73,597 672 97,00 65,188 675 85,80 57,929 683 75,30 51,43

10 692 68,00 47,06

20 708 25,12 17,7830 719 20,21 14,5340 725 15,83 11,4850 732 14,20 10,3960 736 11,43 8,4170 740 10,02 7,4180 747 9,11 6,8190 750 8,03 6,02

100 767 7,37 5,65200 782 3,91 3,06300 800 2,66 2,13400 813 2,03 1,65

500 825 1,63 1,34600 840 1,39 1,17700 872 1,24 1,08800 900 1,12 1,01900 913 1,01 0,92

1000 941 0,93 0,882000 972 0,48 0,473000 995 0,33 0,334000 1007 0,25 0,255000 1013 0,20 0,206000 1024 0,17 0,177000 1035 0,14 0,14

8000 1039 0,13 0,149000 1043 0,12 0,13

10000 1047 0,11 0,1220000 1052 0,06 0,0630000 1055 0,04 0,0440000 1057 0,03 0,0350000 1063 0,02 0,0260000 1068 0,02 0,0270000 1070 0,02 0,0280000 1073 0,01 0,0190000 1075 0,01 0,01

100000 1075 0,01 0,01


63/98

Gerilim-Akm Karakteristii

0

100200

300400

500600

700

800900

10001100

1200

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500

Akm (mA)

Gerilim

(mV)

ekil 4.10. Paralel bal PEM yakt pili ift hcre gerilim-akm grafii


64/98

Gerilim - G Erisi

0,00

20,00

40,0060,00

80,00

100,00

120,00

0 200 400 600 800 1

Gerilim (mV)

G(mW)

ekil 4.11. Paralel bal PEM yakt pili ift hcre gerilim-g grafii


65/98

52

izelge 4.3, ekil 4.8 ve ekil 4.9dan grlecei gibi Tek hcreli PEM yakt

pilinin en verimli alma aral 400-500 mVdur. Bu aralkta g 0,5-0,55 mW

deerinde olmaktadr. lm sonucunda elde ettiimiz deer bir nceki blmde

hesaplamalarla elde ettiimiz sonulara olduka yakndr. Deerler arasndaki baz

farkllklarn kullandmz hidrojenin basncnn dk olmas, yakt pilimizin uzun

sredir kullanlyor olmas, lme hatalar gibi sebeplerden kaynakland

dnlmektedir. Ancak ideal deerler ile lm arasnda bir miktar fark olmas da

doaldr.

ki tek hcreli yakt pilinin paralel olarak balanmas ile yaplan lmler izelge

4.4de verilmitir. Tek hcrede elde edilen g en yksek deer olarak 55 mW

olarak llmtr. ki pil paralel balanarak yaplan lmde beklenen g 110

mW olmasdr. Ancak 101 mW deeri llmtr. Der bir deyile iki hcrenin

paralel balanmas ile yaklak % 9 g kayb olmaktadr.

4.6. Tek Hcrede ift Membranl Yakt Pili

u ana kadar incelediimiz hcre ekil 4.1de grld gibi bir PEM ve iki yannda

yerletirilmi gaz difzyon tabakas ve akm toplayc ile oluturulmu ve bir yzeye

verilen hidrojenin elektro kimyasal reaksiyonu ile elektrik retmesi prensibine

baldr. Bilindii gibi yakt pillerinde verimlilik kadar nemli bir unsur da boyut ve

yaktn ayn hz ve basn ile hcrelere ulatrlmasdr.

Tek hcrede ift membranl Yakt pili bir hcre ierisinde yerletirilmi iki membran

ve bunlarn ortasnda tek akm toplayc kullanlarak oluturulmutur. Bu hcrede

yakt iki membran arasna verilmektedir. Bu uygulama ile hem boyutta tasarruf

salanmakta hem de yakt her iki membrana ayn hz ve basnta ulaarak reaksiyon

oluturmakta, hcreler arasnda potansiyel kayb olumasnn nne geilerek

verimlilik arttrlmaktadr.


66/98

53

ekil 4.12. Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili yaps 1.Membran 2.Katalizr3.Elektrot (Katot) 4.Akm toplayc ve gaz difzyon tabakas 5.Elektrot(Anot) 6.Hidrojen deposu 7.Elektrot odas (Anot) 8.Elektrot odas (Katot)

Bu yakt pilinde gaz difzyon tabakas ve akm toplayc olarak paslanmaz elikten

imal edilen gzenekli bir levha kullanlmtr. Bu levha gaz difzyon tabakas ve

akm toplaycnn tm fonksiyonlarn tam olarak yerine getirmektedir. ki membran

arasna verilen yakt her iki membrana ayn hz ve basnta ulaarak reaksiyon

oluturmaktadr. Reksiyon sonucu protonlardan ayrlan elektronlar tek bir akm

toplayc ile toplanmaktadr. Her iki membrann d yzeylerinde (Katot) ise birer

akm toplayc mevcuttur. Tepkime iin ihtiya duyulan oksijenin atmosferden

karlanabilmesi iin yakt pilinin her iki yzeyinde gzenekli mika kullanlmtr.

1

23

5

8

7

O2 O2

4

6

8

7

H2


67/98

54

Tek Hcrede ift Membranl PEM yakt pili ile yaplan lmler izelge.4.4. de

verilmitir. Tek hcrede elde edilen g en yksek deer olarak 55 mW olarak

llmtr. ki pil paralel balanarak yaplan lmde beklenen g 110 mW

olmasdr. Ancak 104 mW deeri llmtr. Der bir deyile iki hcrenin paralel

balanmas ile yaklak % 5 g kayb olmaktadr.


68/98

55

izelge 4.5. Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili lm deerleri


1 244 240,00 58,562 390 180,00 70,203 530 175,00 92,754 655 160,00 104,805 675 140,00 94,506 683 120,00 81,967 692 100,00 69,208 695 90,00 62,559 700 80,00 56,00

10 710 70,00 49,70

20 729 28,51 20,7830 739 20,82 15,3940 746 16,37 12,2150 752 13,56 10,2060 756 11,57 8,7570 760 10,10 7,6880 765 8,97 6,8690 770 8,10 6,24

100 786 7,46 5,86200 802 3,94 3,16300 820 2,70 2,21400 830 2,06 1,71

500 843 1,68 1,42600 860 1,45 1,25700 890 1,28 1,14800 917 1,14 1,05900 930 1,04 0,97

1000 960 0,96 0,922000 990 0,50 0,503000 1014 0,34 0,344000 1025 0,25 0,265000 1035 0,20 0,216000 1044 0,18 0,197000 1053 0,15 0,16

8000 1059 0,14 0,159000 1061 0,12 0,13

10000 1063 0,11 0,1220000 1065 0,06 0,0630000 1067 0,04 0,0440000 1070 0,03 0,0350000 1073 0,02 0,0260000 1075 0,02 0,0270000 1077 0,02 0,0280000 1079 0,01 0,0190000 1080 0,01 0,01

100000 1080 0,01 0,01


69/98

Gerilim-Akm Karakteristii

0

100

200

300

400

500600

700

800

900

1000

1100

1200

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500

Akm (mA)

Gerilim

(mV)

ekil 4.13. Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili gerilim-akm grafii


70/98

Gerilim - G Erisi

0,00

20,00

40,0060,00

80,00

100,00

120,00

0 200 400 600 800 1

Gerilim (mV)

G(mW)

ekil 4.14. Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili gerilim-g grafii


71/98

58

4.6. Yakt Pillerinin Gelecei

Birleik Devletler Enerji Bakanl tarafndan yaplan almalar sonucunda yakt

pillerinin Pazar durumu grafikteki gibi olacaktr.

ekil 4.15. Birleik devletler yakt pilleri hedef kullanm alanlar[26]

Gnmze kadar olan gelimeler, fosil yaktlarn hzla tkenmekte oluu ve oluan

ihtiyalar yakt Pilleri iin avantaj olarak grnmektedir. Amerika Birleik

Devletlerinde nmzdeki 15 yl ierisinde yakt pillerinin pazar durumu tahmini

ekil 4.15de grlmektedir. ekilden de grlecei gibi yakt pilleri 2010lu

yllardan itibaren vazgeilmez enerji kaynaklar olarak karmza kacaktr. Bu

nedenle konu hakknda almalar ve gelimelerin devam etmesi kanlmazdr.

ekilde en nemli ihtiya alanlarndan biri olan ulam sektr yer almamaktadr.

Otomotiv sektrndeki almalar prototip imalatlarn yaplmas ile seri retim

aamasna kadar gelmi durumdadr. Otomotiv sektr de gz nne alndnda


72/98

59

bugn dnyaya ekil ve yn veren fosil yaktlarn ve iten yanmal motorlarn yerini

yakt pilleri ve hidrojenin alacan sylemek hayalcilik olmayacaktr.


73/98

60

5. SONU VE NERLER

Yakt pilleri verimlilikleri yksek elektrokimyasal enerji dntrc olarak

adlandrmak en doru yaklam olacaktr.

Gnmz dnyasnda temiz ve srekli enerji kaynaklarna ihtiya her geen gn

artmaktadr. Yakt pilleri iin gelecekte kullanm alanlar tahminleri de gz nne

alndnda uzun yllar gndemde ve kullanmda kalaca ve pek ok gelimelere

ak olduu aktr.

almamzda yakt pilleri ve Hidrojen hakknda teorik bilgiler verilmi ve yakt

pillerinin gerilim/akm karakteristii teorik ve pratik olarak ortaya konulmutur.

Yaplan lmlerle elde edilen deerler hesaplama deerlerine olduka yakn olarak

gzkmektedir. Ancak pratik uygulamalarn teorik hesaplamalardan bir miktar farkl

olmas da doaldr.

lmlerde kullandmz PEM yakt pili hcresinin kullanlm olmas, elektroliz

yoluyla rettiimiz hidrojenin basnlandrlmadan kullanlmas gibi etkenler

lmlerimizi etkilemi ve pratik uygulama ile az da olsa farkllklar olumasna yol

amtr. Bu farklar ok etki yaratacak farklar deildir. Hesaplanan g grafii ile

llen g grafii karlatrldnda uygulamann teorik alma ile uyumlu olduu

grlmektedir.

Bir yakt pili yn hcrelerin birletirilmesi ile olusa da salkl almas iin pek

ok blmden olumas gerekmektedir. Bunlar yakt olarak kullanlan hidrojen ile

dardan verilen havann basnlandrlmas, oluan suyun sistemden dar atlmas,

hcre ynnn soutulmas ve k gcnn kullanm iin regle edilerek stabil

hale getirilmesidir.

Basit bir yaklamla her hcrenin 0,5W g retecei dnlerek 10 hcreden 5W

alnaca dnlebilir. Ancak pratikte hcrelerin i direnci ve sistemi destekleyecek


74/98

61

dier nitelerin enerji ihtiya/harcamalar sonucu 5W deerine ulalamayacaktr. Bu

konuda alacaklarn karlalabilecek bu tr problemleri zecek fikirler zerinde

durmas gerekecektir.

Deneysel almamzda iki tek hcreli membrann paralel balanmas ile oluan g

kayb %9, tek hcrede ift membranl yapda oluan g kayb ise %5 seviyelerinde

olmaktadr. Yeni oluturulan tek hcrede ift membranl yakt pilinin kayplarnn

daha az olmas bir avantaj olarak gze arpmaktadr.

nemi her geen gn artan yakt pilleri zerine almalarn artarak devam etmesi ve

pratik uygulamalar yaplarak retim teknolojisinin lkemize kazandrlmas nemli

bir hedef olarak ortaya kmaktadr. Ancak zerinde durulmas gereken konu seri ve

paralel olarak balanan yakt pillerinin i direnleri, yaktn (hidrojenin) eit basn

ve oranda pillere datlamamas, pillerin karakteristik farklar gibi sorunlarn

yarataca g kayplarnn minimize edilmesi ve daha verimle yaplar oluturulmas

olacaktr.


75/98

62

KAYNAKLAR

1. Vezirolu,T.N. and Barbir,F., Hydrogen Energy Technologies, UNIDO,5-47, Vienna (1998).2. Steinberg,M. and Cheng,H.C., Moden and Prospective Technologies for

Hydrogen Prduction from Fossil Fuels, Oxford, 2:699-740 (1998).

3. Hancock,O.G., A Photovoltaik-Powered Water Elektrolyzer: Its Performanceand Economics, G.P.Putnams Sons, New York, 335-344 (1984).

4. Baykara,S.Z. and Bilgen,E., An Overall Assessment of Hydrogen ProductionSolar Water Termolysis,Int.J.Hydrogen Energy, 14:881-889 (1989).

5. Engels,H. Thermochemical Hydrogen Production, Int.J.Hydrogen Energy,12:291-295 (1987).

6. Willner,I. and Steinberger,B., Solar Hydrogen ProductionThrough PhotoBiological,Int.J.Hydrogen Energy, 13:593-604 (1998).

7. Wyczalek,F.A., The End Of Petroleum, 37th IECEC, IECEC 20102, 775-781 (2002).

8. Iguchi,S.,Kimura,K.,Ito,N.,Tange,K. and Suziki,H., New Leadsfor Future FCVehicle, Fuel Cell Seminar, San Antonio TEXAS,210-217 (2004).

9. T.N.Vezirolu, C.Derive and J.Pottier, Hydrogen Energy Progress IX,M.C.I., Paris, 3:1821-1828 (1992).

10. Vezirolu,T.N., Derive,C. and Pottier,J., Hydrogen As An Energy Carrier,Production and Liquefaction Of Hydrogen in Norway for Transportation to andStorage/Distribution in Germany, Hydogen Energy Progres IX, M.C.I., Paris,3:1913-1926 (1992).

11.

Vezirolu,T.N.,Derive,C. and Pottier,J., Solar Hydrogen Demonstration Plantin Neunburg vorm Wald, Hydogen Energy Progres IX, M.C.I., Paris,2:677-686 (1992).

12. Vezirolu,T.N., Takahashi, P.K., Exporting Solar Energy, Hydogen EnergyProgres VIII, New York, 1:201-206 (1990).

13. Winter, C.J.and Fuchs, M., HYSOLAR and Solar-Wasserstoff-Bayern,Int.J.Hydrogen Energy, 16:723-734 (1991).


76/98

63

14. WE-NET Report, New Energy and Industrial Technology DevolopmentOrganization,Hydrogen, Alcohol and Biomass Energy Devolopment, Tokyo,

27-34 (1997).

15. Verne, Jules, The Mysterious Island, Oxford, 89 (1993).16. Haldane,J.B.S, Daedalus or Science and the Future, Truber and Company

Ltd., London, 72-110 (1923)

17. Lawaczek,F., Technick,Eher Varlag, Munich, 21-45 (1932)18. Eren,R.A. and W.H.Compell, Hydrogen: A Commercial Fuel for Internal

Combustion Engines and Other Purposes, Journal of Institute of Fuels,

6(29):7-18 (1933).

19. Hoffmann,P., The Forever Fuel: The Story of Hydrogen., Westview Pres,Boulder, Col., 244-251 (1981).

20. Bockris,J.OM., Energy: The Solar-Hydrogen Alternative, Australia andNew Zealand Book Co., Sydney, 125-218 (1975).

21. Marchetti,C., Proteus vs. Procrustes, Lecture at Cornell University, Ithaca,New York, 318-357 (1970).

22. Ohta,T., Solar-Hydrogen Energy Systems,Pergamon Pres, Oxford, 225-248(1979).

23. Vezirolu,T.N., Proceedings of the Hydrogen Economy Miami EnergyConference(THEME), Clean Energy Research Institute, University ofMiami, Coral Gables, FL, 2:90-124 (1974).

24. Appleby,A.J., and Foulkes,F.R., Fuel Cell Handbook, Van NostrandReinhold, New York, 428-454 (1989).

25.

Vora,S., Power Enhancment in Seal-Less SOFC, Fuel Cell Seminar, SanAntonio TEXAS, 285-297 (2004)

26. Leitman,J., High temperature fuel cells for stationary applications, Fuel CellSeminar, San Antonio TEXAS, 325-343 (2004).


77/98

64

EKLER


78/98

65

EK-1 Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili faydal model belgesi


79/98

66

EK-1 (Devam) Tek hcrede ift membranl PEM yakt pili faydal model belgesi


80/98

67



81/98

68



82/98

69



83/98

70



84/98

71



85/98


86/98

73



87/98

74



88/98

75



89/98

76

EK-2 Anuvu 1,5kW yakt pili


90/98

77

EK-2 (Devam) Anuvu 1,5kW yakt pili


91/98

78

EK-3 Hyundai basn blteni


92/98

79

EK-3 (Devam) Hyundai basn blteni


93/98

80



94/98

81



95/98

82



96/98

83



97/98

84



98/98

85

ZGEM

Abdullah Ersan OUZ 1974 ylnda Ankarada dodu. lk, orta ve lise renimini

Ankarada tamamlad. 1994 ylnda Ankara niversitesi Elektronik Mhendislii

blmn bitirdi. Ayn yl Hv.Mh.Tm rtbesi ile Hava Kuvvetlerine katld. 2002

ylnda Seluk niversitesi Sosyal Bilimler Enstits letme Blmnde yksek

lisans eitimini tamamlayarakletme Uzman unvann ald. Abdullah Ersan OUZ

Evli olup halen 3 nc Hava kmal Bakm Merkezi Komutanlnda grev

yapmaktadr.

Hidrojen Yakit Pilleri Ve Pem Yakit Pilinin Analizi Hydrogen Fuel Cells and Pem Fuel Cell s Analysis

Documents

Transcript of Hidrojen Yakit Pilleri Ve Pem Yakit Pilinin Analizi Hydrogen Fuel Cells and Pem Fuel Cell s Analysis