Hidrojen Yakitli Motor Teknolojisi

8/6/2019 Hidrojen Yakitli Motor Teknolojisi

1/11

Mhendis ve Makina - Cilt: 46 Say: 540

makale

30

HDROJEN YAKITLI MOTOR TEKNOLOJS

Erdal ORAL * Veli ELK **

Sanayi devriminin lokomotifi roln stlenmi olan fosil yaktlar (petrol, kmr) ve devam olan doal gaz rezervleri snrldr. Ayn zamanda evre problemlerinde de en byk etmenlerdendir. Tm bu nedenler, alternatif yakt ya dakaynaklara gereksinimi ortaya karmtr. Hidrojen bualternatiflerden olmaya aday; snrsz, temiz ve verimli bir yakttr. Dier alternatif enerji kaynaklarnn depo edilmesrecinde tayc rol stlenebilecektir.Bu almada hidrojen yaktl motor teknolojisinin tantlmas

amalanmtr. Hidrojenin direkt olarak iten yanmalmotorda kullanm ve bunun motor performansna etkileri incelenmitir. Yeni bir enerji dnm sistemi olan veyakt kimyasal enerjisinin direkt elektrie dnmnsalayan yakt pilinin yaps, eitleri, alma prensibi aratrlmtr. Yakt pili teknolojisi ile hareket eden tat sistemi ve sistem niteleri incelenmitir.

Anahtar szckler : Alternatif enerji, hidrojen, yakt pili,motor

Fossil fuels, (oil, coal) playing a role of industrial revolution's locomotive and natural gas are restricted with their sources. They are also great factors of theenvironmental problems. All these reasons requirealternative fuels or sources. Hydrogen fuel is a candidatefor one of them which is unlimited, clean, efficient. It may

play a role as carrier for storing the other alternativeenergy sources.In this study, it is aimed to introduce the hydrogen fueled engine technology. Hydrogen usage directly in the internal combustion engines and its effects of the engine

performance are investigated. Fuel cell that is a new energy conversion system and directly converts thechemical energy to electrical are examined based onstructural, kind and working principal. Vehicle systemworking fuel cell technology and system units are studied.

Keywords : Alternative energy, hydrogen, fuel cell, engine

* Ar. Gr.,Krkkale niversitesi Mhendislik Fakltesi Makina Mhendislii Blm

** Prof. Dr.,Krkkale niversitesi Mhendislik Fakltesi Makina Mhendislii Blm

EGR

nerji, insanolunun dnyadaki birincil ve ikincil ihtiyalarnkarlamada gereksinim duyduu en nemli olgudur. Bugereksinim gnmze kadar farkl kaynaklardan karlanmtr.

Son yz-yzelli yl dikkate aldmzda ise; kmr, petrol ve doalgaz gibi fosil kkenli yaktlar bu ihtiyata temel kaynak rolnstlenmilerdir.

Dnyadaki enerji ihtiyac; nfus art, sanayileme ve yeni ihtiya

portfy ile hzla artmaktadr. Buna karn gnmz dnyasnn temelenerji kayna olan fosil yaktlarda art olamamakta, yani kaynaklarnihtiyac karlayamad bir noktaya doru gidilmektedir [1]. Btn bunedenler, yeni enerji kaynaklar gereksinimini dourmaktadr. Yanialternatif enerjiler aray, kanlmaz hale gelmektedir.

Alternatif enerji kaynaklarna geiteki en nemli neden fosilyaktlarn snrl olmas yannda, ekolojik evreye verdikleri telafisi gzararlardr. Fosil yaktlarn kullanm ile birlikte yerkrenin ortalamascakl 500 bin yln en yksek seviyesine ulamtr [1]. Bu ise sonyllarda youn hava kirlilii, sel, frtna ve doal afetlerin artnda etkiliolmakta, ykselen yerkre ortalama scakl ile beraber buzullardaerimeler olumaktadr. Yani evresel faktrler de alternatif yaktlargndeme tamaktadr.

Alternatif enerji kaynaklar uzun sredir bilim adamlarnngndeminde yer almaktadr. zellikle evreye zarar en az, yenilenebilir ve dk maliyetli olmas alternatif bir enerji kaynann tamas gerekenbelli bal niteliklerdir. Bu anlamda bugne kadar; gne, rzgar, hidrolik,

hidrojen, biyoktle, jeotermal ve okyanus termal enerjisi vb. gibialternatif enerjilere ynelinmitir. Elbetteki bu kaynaklarn tamam artlarerevesinde nem tamaktadr. Yani; verimlilik, dk maliyet, amacauygunluk gibi kriterleri optimize eden zm, bu artlar oluturur. Buanlamda hidrojen enerjisi; yani hidrojen kaynakl enerji de bualternatiflerden birisini oluturmaktadr.

Ulamn ba aktr, tatlarda kullanlan enerji de bugne deinhemen hemen tamamen fosil yaktlardan karlanmtr. Yani tatlardada alternatif yakt zorunluluu domaktadr. Bu amala tatlarda


2/11


makale

31

youn bir biimde allmaktadr. Yani almalarngeleneksel aya; hidrojenin iten yanmal motorlardatpk benzin, dizel yakt, LPG, CNG ya da kerosen

gibi yaklmasdr. Modern ayan ise; direkt g retimsistemi olan yakt pili (yakt hcresi) oluturmaktadr.Bu yeni g retim sisteminde klasik sistemdeki yaktkimyasal-s-mekanik enerji dnm sreci yerini, yaktkimyasal-elektrik-mekanik enerji almaktadr. Bualmada direkt hidrojenin kullanld yakt pilli motorteknolojisi konu edilmitir. Fosil yaktlarn kullanldyakt pili sistemi de dizayn edilebilmektedir. Fakat tatuygulamalarnda (metanol hari) dizayn glkleri nedeniile pek tercih edilmemektedir. Hidrojenden enerjidnm almalar; hidrojenin elde edilmesi(retilmesi) ve depolanmas zerine yaplan almalarlabalantl yrtlmektedir.

HDROJEN

Hidrojenin Genel zellikleri

Doadaki en hafif element olan hidrojen, 1766ylnda ngiliz bilim adam Sir Cavendish tarafndankefedilmitir.

Renksiz, kokusuz, tatsz ve saydam bir yap sergileyenhidrojen periyodik tabloda "H" sembol ile ifade edilir. Atom arl 1,00797 kg/kmol ve atom says 1 olanelementtir. Hafif olmas nedeniyle (0 C ve atmosferartlarnda 1 litre hidrojen 0,0898 gr ktlededir.)yeryznde serbest halde ok az bulunur. Hidrojen

svlatrlmas olduka g olan bir elementtir. Yaklakolarak 20 K scaklk ve 2 bar basnta sv faza geer[4]. Olduka iyi bir sl iletkendir. (Hidrojenin genelzellikleri- Tablo 1)

Yakt Olarak Hidrojen

zellikle iten yanmal motorlar iin byk nemtayan yaktlarn baz zelliklere sahip olmas istenir. Buzellikler idealize edilecek olursa yle sralanabilir:

elektrik, gne, hidrojen enerjisi kullanmna ynelikaratrma almalar tm dnyada srdrlmektedir. Yaplan almalarda hibrid tatlar, bu yeni teknolojilerin

adapte edilmesi srecinde bir arac rol stlenebilirgrnmektedir. Bu amala tm dnyada byk otomotivfirmalar youn AR-GE, prototip retim ve hatta seriretim amal perspektifler ortaya koymaktadrlar. Bualma ve projeler arasnda hidrojen de nemli bir yertutmaktadr. Bundaki en nemli neden ise bir enerjikayna olarak hidrojenin snrsz ve temiz olmasdr. Yerkrenin 3/4'n oluturan suda ve birok gezegendebulunan hidrojenin, oksijenle yaklmas sonucu su oluur.Bu hidrojene temiz bir yakt olma, sudan elektrolizmetodu ile ayrtrlabilmesi ise tersinir olma niteliikazandrr.

Hidrojenin yakt olarak kullanm dncesi 19.yzyln bana kadar uzanr. Fakat bu dnce, 1974ylnda ABD Florida'da Miami niversitesi TemizEnerji Enstits tarafndan dzenlenen "HidrojenEkonomisi Miami Enerji Konferans" (THEME) ilebilimsel platforma tanmtr. Sonrasnda ise"Uluslararas Hidrojen Birlii" (IHEA) kurulmutur. Bubirliin kurulmasnn ardndan, baz lkeler de ulusalhidrojen rgtlerini oluturmular; bylelikle hidrojenzerine yaplan almalar destek bularak hz kazanmtr.stanbul'da Uluslararas Hidrojen Enerjisi TeknolojileriMerkezi'nin (ICHET) kurulmasna ilikin anlama, Trkiye Cumhuriyeti hkmeti ile Birlemi MilletlerSnai Kalknma rgt (UNIDO) arasnda, Ekim 2003

tarihinde imzalanmtr [2]. Gnmze kadar zellikleuzay aralarndaki motorlarda yakt olarak kullanlanhidrojen, bugn ayn niteliini dier ulam aralarnada tama yolundadr. Bu amala zellikle otomotivsektrnn nde gelen kurulularnca, hidrojeninaralarda yakt olarak kullanm konusunda aratrma ve gelitirmeler srdrlmektedir. Bu erevedegeleneksel (iten yanmal) motorlar/tatlar ve daha datesinde modern (yakt pilli) motorlar/tatlar zerinde


3/11


makale

32

Kolaylkla ve gvenli olarak her yere tanabilmeli Her yerde (sanayide, evlerde, tatlarda)

kullanlabilmeli, depolanabilmeli Birim ktle bana yksek sl deerde, temiz, gvenli,

hafif olmal Is, elektrik ve mekanik enerjiye kolaylkla

dnebilmeli

Yksek verimle enerji retilebilmeli ve ekonomikolmaldeal artlarda yukardaki zellikler istenir. Gerekte

bu zelliklerin tamamna sahip bir yakt yoktur. Fakatdenilebilir ki hidrojen bu kategoriye en uygun olan yakttr.

Hidrojen ok hafif bir gaz olmas nedeniyle herhangibir olaanst durumda ortamdan uzaklar ve tehlikeriskini azaltr. Uygun artlar salandnda sv ve gazfaznda depolanabilecei gibi tankerler ve boru hatlarylada sevk edilebilecek bir yakttr. (Hidrojen ve dieryaktlarla karlatrlmas- Tablo 2.)

Hidrojenin kimyasal yaps itibariyle karbon ve kkrt

iermemesi, zararl atklar olarak bilinen CO, CO2 veSO2 oluumunu da nler. Yalnzca havada yer alan azotnedeniyle NOx oluumu sz konusu olmaktadr.

Geni bir aralkta tutuabilir olmas, geni bir aralktadzgn olarak yanmasn salar. (HFK 0,15-4,35deerlerine kmaktadr.) Hidrojende NOx oluumunuminimum dzeye indirebilmek iin fakir karmda biryanma salanabilir. Hidrojenin yksek bir alev hzna sahipolmas, ideale yakn bir yanma salayarak sl verimi arttrr.Dk alev parlakl ile yanyor olmas, radyasyon yoluile gerekleen s transferini de azaltacaktr.

Hidrojenin en yksek yanma scakl olan 2318 C'ye,% 29 hacimsel hidrojen/hava karm orannda ulalr.

BirimiMolekl Arl 2.016 Kg/kmol

Younluu 0.0838 Kg/m3

st Isl Deer (Ktlesel) 141.9 MJ/kgst Isl Deer (Hacimsel) 11.89 MJ/m 3 Alt Isl Deer (Ktlesel) 119.9 MJ/kgAlt Isl Deer (Hacimsel) 10.05 MJ/m 3 Kaynama Scakl 20.3 KSv Younluu 70.8 Kg/m 3 Kritik Noktadaki Scaklk 32.94 KKritik Noktadaki Basn 12.84 barKritik Noktadaki Younluk 31.40 Kg/m 3 Kendiliinden TutumaScakl 858 K

Havada Tutuma Limitleri 4-75 % hacimselHavada Stokiometrik Karm 29.53 % hacimselHavadaki Alev Scakl 2318 KDifzyon Katsays 0.61 cm 2 /szgl Iss 14.89 KJ/kg.K

Tablo 1. Hidrojenin Genel zellikleri [3]

zellik Benzin Metan HidrojenYounluk, (kg/m3) 4.4 0.65 0.0838Hava iindeki difzyonu a,(cm 2 /s) 0.05 0.16 0.61Sabit basntaki zgl ssa, (kJ/kg.K) 1.20 2.22 14.89Havada atelenme snr, (% hacim) 1.0-7.6 5.3-15.0 4-75Havada atelenme enerjisi, (mJ) 0.24 0.29 0.02Atelenme scakl, (C) 228-471 540 585Havada alev scakl, (C) 2197 1875 2045Alev yaylmas (emisivitesi), (%) 34-43 25-33 17-25Isl kapasitesi , (MJ/kg)

(MJ/m 3)45.5

38.655023

141.911.89

Patlama enerjisi b, (gr TNT/kJ) 0.25 0.19 0.17a Normal basn ve scaklkta

b Maksimum teorik; gerek, teoriin %10u

Tablo 2. Hidrojen ve Dier Yaktlarla Karlatrlmas [3]


4/11


makale

33

ayet oksitleyici olarak hava yerine oksijen kullanlrsabu deer, 3000 C'ye kar ki; bu scaklk deeri bugnkyaktlarda da yaklak bu seviyededir [5].

Hidrojenin kendiliinden tutuma scakl yksektir.Buna karn, hidrojen-hava karmlarnntututurulabilmesi iin gerekli enerji miktar dier yaktlaraoranla olduka dktr. Ktlesel olarak bakldnda sldeerce rakipsiz denilebilecek hidrojen, hacimsel olarakolduka dk sl deerdedir.

HDROJENN RETLMES

Hidrojen doada saf halde bulunmaz. Bu nedenleeitli bileiklerden ayrtrlmas gerekir. Bu anlamda temelolarak hidrojenin; mevcut fosil yaktlardan, biyoktleden ve elektroliz yntemiyle sudan retimi zerindeallmaktadr. Gnmzde en ok kullanlan yntem,hafif karbonlarn zel olarak da doal gaznreformasyonu yntemidir [6]. Ancak bir fosil yakt olandoal gazn tkenecek olmas nedeniyle alternatif birynteme ihtiya duyulmaktadr.

Gnmzde tek potansiyeli olan yntem elektrolizolarak ngrlmektedir. Enerji olarak elektrik bamlsolan elektroliz yntemiyle hidrojen retiminin,gnmzde maliyetli de olsa yeni ve yenilenebilir enerjikaynaklarnn gelimesiyle, neminin artmasbeklenmektedir. Hidrojen sayesinde, mevcut santrallerdeya da yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklaryla retilecekfazla enerji depo edilebilecektir. Bylece depolanmasdaha zor ve verimsiz olan elektrik enerjisi, elektrolizyoluyla hidrojen biiminde depo edilebilecektir. stenildiiyer ve zamanda bu enerji, farkl enerji retim metotlarile (yakt pilleri, iten yanmal motorlar, gaz trbinleri,buhar trbinleri vb.) tekrar aa karlabilecektir.

HDROJENN DEPOLANMASI

Hidrojenin retilmesini takiben depolanmas gerekir.Genel olarak hidrojenin kullanld her yerdedepolanmasna ihtiya vardr. Tatlarda hidrojenin

kullanlmas durumundaysa depolama daha fazla nemkazanmaktadr. Bu bakmdan retilen hidrojen iki ayrgrupta depolanmas eklinde incelenebilir. Birincisi

merkezi bir jeneratr, gne -hidrojen enerji sistemi,rzgar-hidrojen enerji sistemi, hidrolik - hidrojen enerjisistemi vb. gibi merkezi olarak retilen hidrojenindepolanmas; ikincisiyse snma, piirme ya da tatlardakikullanm amal depolanmasdr.

Merkezi olarak depolamada boaltlm doal gazyataklar, maaralar ve byk depolama tanklarkullanlmaktadr.

kinci tip dediimiz ve daha okta tatlar iintasarlanan depolama ekilleridir ki yaygn olarak 3yntem zerinde younlalmaktadr. Bunlar; gazhidrojen, sv (karyojenik) hidrojen ve metal hidritlereklinde depolamadr.

HDROJENN TAITLARDA KULLANIMI

Hidrojen yaktl motorlar g retim yntemibakmndan 2 kategoriye ayrlabilir.

- Hidrojen Yaktl ten Yanmal Motorlar- Hidrojen Yakt Pilli Motorlar

Hidrojen Yaktl ten Yanmal MotorlarHidrojen, aynen klasik iten yanmal motorlarda

kullanlan; benzin, dizel yakt, LPG, doalgaz ve kerosengibi iten yanmal motorlarda yakt olarakkullanlabilmektedir. Yakt ierisindeki kimyasal baenerjisi yanma sonras sya ve buradan da mekanik

enerjiye dntrlmektedir.Hidrojenin kendiliinden tutuma scaklnn yksek

oluu (1Atm basnta 847-867 K) ve oktan saysnnykseklii hidrojenin dizel motorlardan ok, karbratrlotto motorlarda daha uygun bir yakt olacangstermektedir [7].

Hidrojen yaktl motorlarda, fosil yaktlarda grlenbuhar tkac, souk yzeylerde youma, yeterincebuharlaamama, zayf karm gibi sorunlar yoktur.


5/11


makale

34

Yksek alev hzna, geni alev cephesine ve yksekdetenasyon scaklna sahip olup, kontrolsz yanmaya kardayankldr. Sahip olduu bu yksek alev hz, otto

motorlarda ideale yakn bir yanma ve sl verimde artlarsalar. Ayrca dk alev parlakl ile yanyor olmasradyasyon yoluyla gerekleen s transferi miktarn daazaltmaktadr. Hidrojen yaktl motorun sl verimi benzinmotorununkine olduka yakndr. Hatta sktrma orannnarttrlmas ve fakir karm salanmasyla sl verim % 25'likbir art salanabildii tespit edilmitir [7]. Hidrojen-havakarmn atelemek iin gerekli enerji miktar da dieryaktlara oranla ok dktr ve bu da tutuma garantisinisalayarak zellikle benzinli motorlarda bir avantajoluturmaktadr. Yanma sonunda fosil yaktlarda szkonusu olan CO, CO2, CnHm, NOx vb. zehirli ve zararlatklardan yalnzca NOx 'in olutuu hidrojenli motorlardabu emisyonun miktar da karm orannn ayarlanmasylaazaltlabilmektedir. Hidrojenin yanmas sonucu partiklmadde olumadndan bujiler de kirlenmez. Dolaysylahidrojen yaktl iten yanmal motorlarda yalnzca NOx ve su olumaktadr. Bu da, gnmz fosil yaktlarnnnemli bir dezavantaj olan O3tabakas, ekolojik dengeyezararl emisyon salnmnn yok denecek kadar az olmasnsalayarak, evreye uyumluluunu da gstermektedir.Genellikle NOx hava fazlalk katsays ve karm yerelscaklna bal olarak ortaya kmaktadr. Bu yzdenzengin ( l 1,7) karmlarda NOxoluumu nemli lde azalacaktr.

Hidrojenin iten yanmal motorlarda kullanlmasyla

birlikte bir takm problemler de olumaktadr. Bunlardanen nemlileri; geri tutuma ve erken atelemedir [8]. Yanma odasna gnderilen hava-yakt karmnn silindiregirmeden nce tutumas sonucu, motor emmemanifoldu iinde geriye doru alev tutumas meydanagelmektedir. Bu ise emme sisteminde yer alan elemanlartahrip etmekte ve bu da emniyet sorunlar dourmaktadr.Motorun yksek ykte almas durumunda; yanmaodasndaki scak noktalar karmn erken atelenmesine

sebep olur [8]. Hidrojenin dk tutuma enerjisine sahipolmas erken atelemeye yol aabilmektedir. Buna; yanmaodasndaki scak noktalar, supap bindirmesinde scak

egzoz gazlar, motor yandan gelen scak partikller yolaabilmektedir. Bunun nlenebilmesi iin yanma odasnscaklnn drlmesi yoluna gidilir ki bu amala;karmn bir miktar fakirletirilmesi, egzoz gazlarresirklasyonu (EGR), sv hidrojen kullanm (dkscaklkta olmas nedeniyle) gibi eitli yntemlerebavurulmaktadr. Ancak erken atelemeyi nlemeyingren bu tedbirler; verimde ve motorun dzenlialmasnda bir takm olumsuzluklar da beraberindegetirecektir.

Hidrojen Yakt Pilli Motorlar

Yakt pili ve tarihesi Yakt pili (yakt hcresi), enerji retiminde kullanlan

verimli, sessiz, evre ile uyumlu ve elektrokimyasalprensipte yakt enerjisini elektrik enerjisine dntreng retim elemandr. (Yakt pili - ekil 1)

lk yakt hcresi 1839 ylnda Sir William Grovetarafndan tasarlanmtr [5]. Grove nce seyreltik slfrikasit zeltisine daldrlm iki platin elektrottan olumubir sistemde hidrojen ve oksijen retmeyi baarmtr. Yapt almalarla suyun elektrolizinin ters reaksiyonusonucunda sabit akm ve gcn retildiini fark edenGrove, bylece tesadfi olarak byk bir bulu

ekil 1. Yakt pili (BALLARD)


6/11


makale

35

gerekletirmitir. Sonraki yllarda ise nceki almasndakulland sistemin bir dizisini seri balayarak daha fazlaelektrik akm retmeyi baarmtr.

Friedrich Wilhelm Ostwald, yakt pili iindeki herelemann yakt pilinin almasndaki grevini ve etkisiniaratrmtr. William W. Jacques, eriyik elektrolitli yaktpillerinin temelini atmtr. Kmrn elektrokimyasalenerjisinden dorudan elektrik retmeyi baarmtr. 1900ylnda Emil Baur, bir dier bilim adam Nerst'in balattkat oksit elektrolitle alan bir yakt hcresi projesininbaarya ulamasn salamtr. Bu konudaki en nemlialma Thomas Bacon tarafndan alkalin yakt pillerizerinde yaplan almalardr. Bu almann neminianlayan Pratt ve Whitney irketi bu projeye lisans vererek,NASA 'da kullanlmasn salamtr. 1950'li yllarda uzayalmalar yaryla yakt pillerine ilgi artmtr. 1958 'deise NASA, Hidrojen-oksijen pilini uzay almalarndakullanmaya balamtr [9].

Petrol krizi sonrasnda ise hidrojen ve hidrojenli yaktpilleri daha da nem kazanmtr.

Yakt pili alma prensibi Yakt pilinde gaz yaktlardaki kimyasal enerji, dk

enerjili minimum hareket ieren ve hava kirliliine sebepolmayan elektrokimyasal bir prensiple temel olarakelektrik ve s enerjisine dntrlr. Yakt pili, yakt(direkt kullanmda; hidrojen, dolayl kullanmda ise; doalgaz, LPG, metanol vb.) ve oksitleyicinin (hava veyaoksijen) kimyasal enerjisini dorudan elektrik ve s

formunda enerjiye eviren g retim cihazdr. Yakt pilleri dk grlt seviyesinde az kirletici aakararak yksek verimle alabilmektedirler. Direkthidrojen kullanmnda tek yan rnleri saf sudur. Termikmakinalarda, Carnot evrimine gre verim

01 / c T T = 'dr. Yani ilem scakl (T0 ), arttka

verim artmaktadr. Fakat bu scaklk , malzeme dayanmlimitleri ile snrlanmtr. Yakt pilinde ise bu snrlamasz konusu deildir. Yakt pili genel verimi H/Gfc =

eklinde ifade edilir ki, bu da Gibbs serbest enerjisininyakt sl deerine oran eklindedir [5].

Temel olarak bir yakt pili; anot, katot ve elektrolit

ksmlarndan oluur. Ayrca reaksiyonu hzlandrmak iinyakt pili tipine gre farkl katalizrler kullanlr. (ematikyakt pili - ekil 2)

Sistemde; anoda gnderilen yakttan ayrlanelektronlar, bir d devre zerinden yoluna (katoda doru)devam ederken, iyonlar (elektronlar ayrlan yakt)elektrolit zerinden katoda doru hareket eder ve buradaanottan gelen elektronlar ve hava ile reaksiyona girer vedevre tamamlanr. Bylelikle d devreden dolatrlanelektronlarn bulunduu akm kolunda elektrik akmoluur. Yakt pilinin tipine gre sistemde, farkl katalizrmalzemeler de kullanlr. rnein, tat uygulamalarndadaha ok tercih edilen PEM (ilerde aklanacak) yaktpilinde elektrolitin her iki yzeyinde de preslenmi olarakgenellikle Platinyum malzemeden katalizr kullanlr.(ematik yakt pili - ekil 2)

Yakt pilinde tek bir hcre gerilimi 1 volttan daha azolduundan, gerekli elektrik enerjisini retmek iin birdenfazla yakt hcresini seri balayarak kullanmak gereklidir.Bu hcrelerin arasna iki kutuplu levhalar yerletirilmelidir.Bu levhalar, elektrotlara gazn salanmas ve hcrelerin

ekil 2. ematik Yakt Pili

HavaYakt

Elektron Ak

ELEKTRK + ISI


7/11


makale

36

elektriksel olarak balanmasn salarlar. Sandvieklindeki bu hcre ve levha grubuna "Yakt hcresigrubu" ad verilir. (Yakt pili birimleri - ekil 3 )

Bu elektrokimyasal ilemden kan yan rn sadecesu ve sdr (Yakt olarak hidrojen kullanlmas halinde).Bu sistemi, pilden ayran en nemli fark ise, g retimiiin arja gereksinim olmamas ve yakt salandka gretiminin devam ediyor olmasdr. Yakt pilindegerekleen reaksiyonlar (rnek; PEM yakt pili);

Anot : 2H2 4H+ + 4e-Katot : O2 + 4H+ + 4e- 2H2O

Genel : 2H2 + O2 2H2O + Enerji

Reaksiyon scaklnn salanmas iin bu kmenin iinebirka tane soutucu levha yerletirilir. Hcrelere gaztemini ve su k her hcre iin ayr olabilecei gibikmenin sonundaki levhalardan da salanabilir.

Teorik olarak yakt hcreleri, okside olabilen tmakkanlar dntrebilirler. Pratikte ise hidrojen vehidrokarbon yaktlar arasnda farklar meydana

gelmektedir. Btn yakt hcresi eitleri, yukarda

anlatlan yntemle hidrojeni dntrebilirler. Fakathidrokarbonlarn kullanlmasnda, dnm iin ya okbyk katalizr yzeyi ya da ok yksek scaklk

gerektiren oksidasyon problemleri vardr. Bu nedenlehidrokarbon yaktlar, yakt hcresinde nce su buharylareforme edilerek hidrojen retiminde kullanlmasyla,yani dolayl yollardan kullanlabilmektedir. Bu nedenlede hidrokarbon yakt kullanlan yakt pillerinin verimidirekt hidrojen kullanlan yakt pillerine gre dahadktr. Yakt pillerinin avantaj ve dezavantajlar dazetlenecek olursa :

Avantajlar : Yksek verim, yksek g younluu,modlerlik, geni yakt yelpazesi, dk emisyon, yksekgvenilirlik, kolay kurulum, hzl enerji dnm.

Dezavantajlar : Yksek maliyet, zellikle tatuygulamalar iin avantajlar tayan hidrojenin datmann kurulu olmamas.

Yakt pili tipleri Yakt pilleri genellikle alma scaklklarna gre;

dk, orta ve yksek scaklk yakt hcreleri olaraksnflandrlabilirler. Esas olarak ise kullanlan elektrolitegre snflandrlrlar. Buna gre zerinde allan balcayakt pili tipleri unlardr:- Alkalin Yakt Pili (Alkaline Fuel Cell - AFC)- Erimi Karbonat Yakt Pili (Molten Carbonate Fuel

Cell - MCFC)- Fosforik Asit Yakt Pili (Phosphoric Acid Fuel Cell -

PAFC)

- Kat Oksitli Yakt Pili (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC)- Proton Deiim Zarl Yakt Pili (Proton Exchange

Membrane Fuel Cell - PEMFC)- Direkt Metanol Yakt Pili (Direct Methanol Fuel

Cells - DMFC)- Regenerative Yakt Pili (Regenerative Fuel Cells - RFC)

Gnmzde zellikle yakt pilinin tatlardauygulamasnda Proton geirgen membran yakt pili(PEM) kullanlmakta olduundan bu tip aklanacaktr. ekil 3. Yakt Pili Birimleri (THREE BOND)

Sealants

Datc

DatcElektrolid

MembranveElektrodgrubu

ElektrodPlakalar

Birimhcre

Yakt pili(hcresi)grubu


8/11


makale

37

PEM Yakt pili

Bu yakt pili tipi 1950'li yllarda General Elektriktarafndan bulundu ve ilk olarak NASA'nn Gemini Uzay

Projesinde uyguland.Polimer elektrolit membran ya da proton geirgen

membran olarak adlandrlan PEM yakt hcresininelektrolit ksm kalnl 50 mm seviyesinde kat polimermembran zardan meydana gelir. Bu zarn zellii;protonlara kar geirgen, elektronlara ise geirgenolmamasdr. Elektrotlar ise karbondan imal edilmektedir.

PEM yakt pilindeki reaksiyon;

Anot : 2H2 4H+ + 4e-Katot : O2 + 4H+ + 4e- 2H2OGenel : 2H2 + O2 2H2O + Enerji

alma scakl 80 C civarndadr ve bu scaklkseviyesinde reaksiyon hznn yava oluu katalizrkullanmn gerektirir. Bu amala da her iki elektroda dapreslenmi olarak Platinyum kullanlr. Elektrolit veelektrotlardan oluan ksma "Membran Grubu" denir

ve bu, iki ak plakas arasnda yer alr. Bu plakalar yaktkanallarn ihtiva eder ve elektronlarn membran grubu

dna iletimini salar. Her bir hcrede oluan gerilim 0,7 volt seviyesinde olup yksek gerilimlere ulaabilmek iinhcreler seri olarak balanarak; yakt hcresi (yakt pili)

grubu oluturulur.PEM yakt pilleri; dk scaklk seviyesinde alma,

abuk cevap hz, yksek g younluu ve kompaktyap gibi avantajlara sahiptir. Verimleri ise % 40-50aralndadr.

Yakt Pili SistemiGenel olarak bir yakt pili sistemi, aadaki 4 niteden

olumaktadr. Bunlar; yakt ileme nitesi, g retim

sistemi (yakt pili grubu - modl), g dntrc(inverter), kontrol sistemi. (Yakt pili sistemi - ekil 4)

Yakt leme nitesi, yaktn yakt piline gnderilmesincesinde hazrland ve eer direkt hidrojenkullanlmyorsa, kullanlan yakttan hidrojenin ayrtrldnitedir. Yani hidrojen dnda bir yakt kullanldndabunun kullanma hazrlanmas da bu nitedegerekletirilir.

G retim Sistemi olarak isimlendirilen blm bir

veya birden fazla yakt pili ynndan meydanagelmektedir.

Hava

KONTROLSSTEM

Yaktlemci

(Reformer)Yakt piliModl

GDntrc

(nverter)

Yakt

Is ve Su

ACG

lenmiYakt DC G

YAKIT PL SSTEM

Hava

ekil 4. Yakt Pili Sistemi


9/11


makale

38

G Dntrc nitesinde hcrede retilen doruakm ticari kullanm iin alternatif akma evrilir.

Kontrol Sistemi nitesinde sistemin tm ileyii

denetlenir ve kontrol edilir. Ayrca pek ok yakt pili sisteminde yardmc

elemanlar olarak adlandrlan baz komponentler de szkonusudur. Bunlar; fan, kompresr, nem nitesi, sdeitirici, DC/AC dntrc vb. eklinde saylabilir.

Temelde tatlarda uygulamas konumuzu oluturanyakt pilleri pek ok farkl uygulama alanna da sahiptir.Bunlar; tat, evsel, askeri, uzay aralar, enerji santrali vemobil uygulama alanlardr.

Yakt Pilli Motor Teknolojisi Yakt pilli tatlar da diyebileceimiz yakt pilli motor

teknolojisi, hidrojenin ya da reforme edilerekhidrokarbon yaktlarn kullanld, yakt pili sistemleriyleretilen ve DC'den AC'ye dnm gerekletirilenelektrik akmnn kullanlarak, AC elektrik motorlar ilearacn tahriki prensibine dayanr. Yani klasik ara

ekil 5.ematik Yakt Pilli Tat Sistemi (TOYOTA)

teknolojisinde izlenen yanma kimyasal enerjisi-mekanikenerji dnm ve bylelikle aracn tahrik edilmesi yerine,elektro kimyasal-elektrik dnmyle aracn tahriki temin

edilmektedir. Bylece ok yksek scaklk ve basnlarda,ok yksek grlt seviyelerinde gerekletirilen, oldukafazla, kompleks paralarn oluturduu, byk ataletkuvvetlerinin ve titreimlerin meydana geldii birmekanizma ortadan kakmaktadr. Bunun yerini nispetenolduka dk scaklklarda alan, ok dk grltseviyesine ve kompleks hareketli paralar iermeyen, dktitreim seviyeli bir sistemle g retilmektedir. Bu glearacn hareketi gerekletirilmektedir. (ematik yakt pillitat sistemi - ekil 5.)

Sistem temelde; yakt tank, yakt pili sistemi, AC/DCakm dntrc ve elektrik motor/motorlarndanolumaktadr. Bununla birlikte; sistemin genel kontrolnitesi, ak, soutma sistemi ve eitli aktarma organlarsistemin temel tamamlatc donanmlardr. Ayrca direkthidrojen kullanlmayan hidrojen yakt pilli sistemlerde,kullanlan yaktn (metanol, doalgaz vb.) yeniden


10/11


makale

39

ekillendirilerek (reformation) hidrojen yakt piline hazrhale getirildii ekillendirici (reformer) bulunur. Yakt pillimotorlarda verim, geleneksel motorlarn 2 misli

dzeylerine kabilmektedir.Gnmzde bata byk otomobil reticileri olmak

zere pek ok otomobil reticisi, yakt pilli tatkonusunda nemli dzeyde aratrma ve ortaklklargerekletirmekte, bu konuya byk bteler ayrarak ve prototip retimlerinin de tesinde bu tip tatlarpiyasaya srme noktasnda nemli vaatlerdebulunmaktadrlar. Hatta baz irketler bu almalarnnkaynan oluturan hidrojenin ve depolanmasnn da bu

teknolojiye geite belki de edeer neme sahipolduundan; byk petrol irketleri, depolamateknolojileri zerine alan irketler ve yakt pili reticileriile ortak almalar gerekletirmektedirler. Aada butr retimlere dair birka tat ve zellikleri sunulmutur.(Yakt pilli tat rnekleri - ekil 6.)

SONU ve NERLER

Geleneksel yakt ve yakt sistemlerine bal motorteknolojilerinin, bugnk yakt kaynaklaryla ok uzun birzaman ayakta duramayaca ve alternatiflere ihtiya

duyaca aikardr. stn zellikleriyle hidrojenin de enazndan bu alternatifler arasnda yer alabilecei artk pekok bilim adam ve politikac tarafndan dile

getirilmektedir. zellikle gelimi lkelerin ve ok uluslupetrol irketlerinin de bu sektre girmeleriyle bu geiin ve bata maliyet olmak zere tad bir takmproblemlerin almas mmkn grlmektedir.

Gnmz dnyasn tehdit eden kresel evresorunlar ve bunun gn getike ekolojik dengeye verdiionarlmas g tahribatlar, seilecek enerji kaynanasadece maliyet perspektifinden bakn uzun vadedeekonomik olamayacan gstermektedir. Bugn benzin,

motorin, LPG, doalgaz, kerosen vb. fosil kkenliyaktlarn kullanld geleneksel motorlarda en azndangei dneminde hidrojenin ilave yakt olarak kullanm ve bylelikle emisyonlarda daha iyi sonular alnmas vegei dnemi sonras zaman iinde bu yaktlarn yerinihidrojene brakmalar salanabilir.

Uzay aralarnda elektrik vb. enerji ihtiyalar iinbugne kadar kullanlan ve fakat yksek maliyet vehidrojen yaktnn yaygnlamam olmas nedeniylegnlk hayatta karlalmayan yakt pili ve yakt pillimotor teknolojisi de gelecein teknolojileri arasnda

FORD P2000

zellikleri

Yakt - Sktrlm hidrojenMaks. Hz 128 km/hMenzil -160 kmYakt Pili - Proton Dnm MembranElektrik Motoru - AC (Alternatif akm)Maks. G - 67 kW (90 HP)Maks. Tork - 190 NmMaks. Akm - 280 Amper Maks./Min. Gerilim - 385/200 volt

TOYOTA FCHV

zellikleri

Yakt - Sktrlm hidrojen (35 MPa)Maks. Hz 155 km/hMenzil - 300 kmYakt Pili - Proton Dnm MembranElektrik Motoru - AC (Alternatif akm)Maks. G - 80 kW (109 HP)Maks. Tork - 260 Nm

ekil 6. Yakt Pilli Tat rnekleri (TOYOTA, FORD)


11/11


makale

40

grlmektedir. Zamanla rekabet ve almalarnsrmesiyle maliyetlerinin daha da decei bataotomobil ve yakt pili reticileri tarafndan

vadedilmektedir.Baz otomotiv firmalar ise zellikle hidrojen taycs

olarak sodyum borhidrat (NaBH4) zerinde almalaryrtmektedirler. Bu ekilde kat ya da sv fazda kolaylkladepo edilebilir olmas ve kontroll bir kimyasalreaksiyonla hidrojen gaznn kullanm annda retilmesibu almalarn temel felsefesidir. lkemizin de borynnden olduka zengin oluu, byle bir teknolojininuygulanabilirlii halinde olduka byk avantajlarkazanmamz salayabilecektir.

Tm bu nedenlerle; hidrojen yaktl motorlar ve yaktpili teknolojisine ynelik teorik ve pratik almalarnlkemizde de yaygnlamas, teknoloji retiminde paysahibi olmak ve gelimelere seyirci kalmamak iin gerekligrlmektedir.

KAYNAKA

1. Erdoan S.,Alternatif Enerji Kaynaklar ve Trkiye'nin Enerji

Potansiyeli, Electrotech, Temmuz 2003

2. http://www.eie.gov.tr/hidrojen/tr_yapilan_calismalar.html,

Elektrik leri Ett daresi Genel Mdrl, 25.08.2004

3. Vezirolu T.,Nejat ve Barbir Frano, Hydrogen Energy

Technologies, UNIDO, A 1400 Vienne, Austria, 1998

4. Aydemi r S. ,Enerji Kayna Olarak Hidrojen retim

Yntemlerinin ncelenmesi, Yksek Lisans Tezi, Trakya

niversitesi Fen Bilimleri Enstits, Edirne-19985. Temelci F. Emre, Tatlarda Alternatif Yakt Olarak Hidrojen

Kullanm, Yksek Lisans Tezi, YT Fen Bilimleri Enstits,

stanbul-2000

6. Gvendiren M., ve ztrk T.,Enerji Kayna Olarak

Hidrojen ve Hidrojen Depolama, Mhendis ve Makina, Austos

2003, 523

7. Grgl A. ,Hidrojenin Yakt Olarak ten Yanmal

Motorlarda Kullanm ve Dier Yaktlarla Mukayesesi, Yksek

Lisans Tezi, Osmangazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits,

Eskiehir-1994

8. Dipiolu .,Hidrojenin Tat zerinde retimi ve Petrol

Kkenli Yaktlarla Birlikte ten Yanmal MotorlardaKullanmnn ncelenmesi, Yksek Lisans Tezi, Seluk

niversitesi Fen Bilimleri Enstits, Konya-1998

9. etinkaya M., Karaosmanolu F., Yakt Pilleri, Tesisat

Mhendislii Dergisi,Mays-Haziran,2003

10. nsal .,Gne ve Hidrojen Enerjisi, Electrotech, Temmuz 2003

11. Kaya E.,Hidrojen Enerjisi ve Yakt Hcreleri, Yksek Lisans

Tezi, Dumlupnar niversitesi Fen Bilimleri Enstits,

Ktahya-2002

12. Atlgan .,Hidrojen Enerjisi ve Uygulama Alanlar, Gaziniversitesi Mh. Mim. Fak. Dergisi, 14(1), 17-30,1999

13. TOYOTA, http://www.toyota.co.jp/en/special/pdf/

specialreport_10.pdf

14. DAIMLERCHRYSLER,http://www.daimlerchrysler.com/

dccom/0,,0-5-7165-1-143238-1-0-0-0-0-0-8-7165-0-0-0-0-

0-0-0,00.html

15. BMW, http://www.bmw.com/generic/com/en/fascination/

technology/cleanenergy/index.html

16. GM, http://www.gm.com/company/gmability/adv_tech/

400_fcv/index.html

17. TOYOTA, http://www.toyota.com/vehicles/future/

fines.html

18. OPEL, http://www.opel.com/corporate/5/55.html

19. BALLARD, http://www.ballard.com/be_a_customer/

transportation/fuel_cell_engines

20. GM CORPORATION, http://www.gmeurope.com/

marathon/

21. MILLENNIUMCELL, http://www.millenniumcell.com/

index.pl

22. H2CARSBIZ,http://www.h2cars.biz/artman/publish/

index.shtml

23. FORD,h t tp : / /www. fo rd . com/en / innova t ion /

engineFuelTechnology/fuelCells/default.htm

24. UTC FUEL CELL, http://www.utcfuelcells.com

25. BALL COMPORATION, http://www.ball.com/aerospace/

pps1.html

26. THREE BOND, http://www.threebond.co.jp/en/

Hidrojen Yakitli Motor Teknolojisi

Documents

Transcript of Hidrojen Yakitli Motor Teknolojisi