Gönderen Konu: HİDROJENLİ YAKIT HÜCRELERİ  (Okunma sayısı 4054 defa)

Çevrimdışı roseshah

  • Yeni Üye
  • *
  • İleti: 38
  • Kimya Mühendisi
    • Profili Görüntüle
HİDROJENLİ YAKIT HÜCRELERİ
« : 06 Ağustos 2008, 16:50:33 »
Figen Kadırgan
ITÜ Fen-Ed. Fakültesi, Kimya Bölümü

Hidrojen gazının yakıt olarak önemini şu başlıklar altında toplayabiliriz.

• Dünyada CO2 emisyonunda artış

• CO2’in olması gerekli doğal konsantrasyonu 280 ppm

• Ölçülen konsantrasyon: 370 ppm Æ %30 artış Æ Nedeni Æ Fosil yakıtların kullanımı Æ Sonuç: Sera etkisi ve iklim değişikliği)

• Bilimsel verilere göre iklim değişikliğini azaltmak için CO2 konsantrasyonu kesinlikle 550 ppm’in altında olmalıdır.

• Bu değerin anlamı, artan nüfus ve enerji talebi göz önüne alınarak yapılan hesaplarda 2050 yılında emisyonun %50 azaltılmasıdır. Aksi halde CO2 konsantrasyonu 2100 de 700 ppm’e ulaşacaktır. Bu kıyametle eşdeğerdir.

Sera Gazlarının Etkisini Azaltacak Önlemler

• Fosil yakıtların tüketiminin azaltılması, kullanımı durumunda bu yakıtların yüksek verimle yanmalarının dikkate alınması

• Karbon sayısı küçük veya hiç karbon içermeyen yakıtların kullanımı

• Fosil yakıtlardan üretilen CO2’in bir şekilde tutulması (absorpsiyon)

Kısa vadeli çözüm:

Yanma veriminim yükseltilmesidir.

Bu da şu şekillerde olabilir:

• Sivil uygulamalarda ko-jenerasyon, arabalarda enjeksiyon sistemlerinin kullanımı, yanma reaksiyonunun elektronik kontrolü, alternatif temiz yakıtların kullanımı, hibrid elektrik sitemleri vs...

• Diğer bir çözüm yakıt olarak Hidrojen veya kolay hidrojene dönüşebilen yakıtların kullanımıdır.

Neden hidrojen diye tartışacak olursak:

• Hidrojenin emisyon ürünü sudur.

• Fosil yakıtlardan yenilenebilir enerji kanalı ile ve nükleerden elde edilebilir.

• Hidrojenin üretimi, taşınması, depolanması ve kullanımı konusunda çeşitli teknolojiler geliştirilmektedir.

• Hidrojen yakıt hücrelerinde yüksek verimle yakılarak enerji elde edilebilir.

Yakıt hücreleri ile ilgili teknolojik gelişmeler şu başlıklar altında değerlendirilebilir

• Güç yoğunluğunu, gazlardaki safsızlıklara karşı direncini ve ömrünü arttırmak ve optimize etmek amacıyla elektrot malzemelerinin iyileştirilmesi

• Tek hücrelerin yığınlaştırılarak 250 kW’a kadar elektrik üretecek tek modülde toplanması

• Katalizör olarak kullanılan değerli metallerin miktarının azaltılarak etkilerinin arttırılması, böylece maliyetin düşürülmesi

• Sistemin performansını, sağlamlığını, ömrünü ve maliyetini optimize edecek bir dizaynın geliştirilmesi

• Hidrojen depolama malzemelerinin geliştirilmesi

• Hem sabit hem taşınabilir uygulamalarda yerinde başka yakıtlardan hidrojen elde edebilecek yapıların geliştirilmesi

Alkali Yakıt Hücreleri:

• Bu tip hücreler ilk olarak uzay gemilerinde kullanılmıştır. ZETEC isimli bir firma tarafından ticarileştirilmeye çalışılmakla birlikte bir takım güçlükler devam etmektedir. Bu güçlükler arasında:

• Mobil uygulamalarda pratik olmamasını (KOH elektrolit sirkülasyonu ve CO2 absorpsiyonu nedeniyle) söyleyebiliriz.

• Ayrıca Ni anot ve Ag katot üzerine çalışmalar varsa da bu katalizörler ile elde edilen güç düşüktür. ?ekil 1’de şematik olarak alkali yakıt hücresini göstermektedir:

PEM ve PAFC yakıt hücrelerinin çalışma prensibi ?ekil 2’de şeması görülmektedir:

Proton değiştiren membrana sahip yakıt hücreleri:

• Mobil uygulamalar için en pratik sistemdir.

?u anda ticari olarak satılan proton değiştiren membran Nafion’dur. Nafion (sulphonated poly tetra fluoro ethylene - teflon) pahalı bir malzemedir. (~1200$/m2).

• Daimler Chrysler/Ballard/Ford konsorsiyumu (XCELLSIS) Kanada, Amerika ve Avrupa’da 2005’ten itibaren PEM ile çalışan otobüsleri ticari olarak piyasaya süreceklerdir.

• Bu otobüsler için yakıt olarak saf hidrojen gazı tercih edilmekle birlikte kısa ve orta vadede bu tartışmalıdır. Çünkü araçlarda hidrojen depolanması yüksek basınçlı, hafif silindirler, kriyojenik sıvı sistemleri ve katı metal hidrit depolamayı gerektirmektedir. Basınçlı hidrojen otobüsler için en iyi sistem olmakla birlikte bu sistem hafif araçlarda bulunması gereken hacim ve ağırlık kriterlerini karşılamamaktadır.

• Karbon nano-tüplerde hidrojen depolama konusunda yapılan ar-ge çalışmaları umut vericidir.

Hidrojen gazı yerine Likit yakıt ile besleme önerilen bir çözümdür. Bu yöndeki uygulamalara göz atacak olursak:

• Ford Motor Focus FC5

• General Motors Opel Zafira

• Honda Motor FCX-V2

• Daimler Chrysler’in NECAR 3 prototipi

• Mazda Motor Premacy FC-EV

• Nissan Motor R’nessa ve Xterra

• Toyota RAV4

• Volkswagen Capri modelleri

Metanol ile beslenmektedir.

Doğal gaz ile de besleme yapılabilir:

• Enerji santralleri için 250 kW’a kadar bir uygulama Ballard tarafından yapılmıştır. Bu doğal gaz ile beslenmektedir.

• Bu sistemler için çok pratik olmamasının nedeni Nafionun proton iletkenliğinin 125°C’nin üzerinde iyi olmamasından kaynaklanmaktadır.

• 200°C’de proton iletebilecek polimer membranlar üzerinde çalışmalar umut vericidir. Bu polimerler poli stiren sulfonik asit, poli benz imidazol, poli eter-eter keton, polifenoksi benzoil fenilen, vs... dir.

Fosforik asit yakıt hücreleri:

1990’lı yıllarda hayli ekonomik bir sistem olmakla birlikte günümüzde daha çok büyük güç kaynakları için uygulanabilecek bir hücredir. ONSI Corpiration PC25 200kW’lık üniteleri ticarileştirmiş, bu sistem ile yerinde elektrik ve ısı temini ile absorpsiyonlu çiller sistemleri kullanarak soğutma da yapılabilmektedir. 11 MW’lık bir sistem Tokyo Elektrik Power tarafından geliştirilmiş, ancak ucuzlatma ve fizibilite çalışmaları devam etmektedir. Henüz 2000 MW’lık güç hedefine ulaşılamamıştır.

Erimiş karbonatlı yakıt hücreleri:

• PEM ve PAFC’ lerin sınırlı çalışma sıcaklıklarına alternatif olarak getirilmiş sistemlerdir. Fuel Cell energy Inc. 1.93 MW’lık ve doğal gaz ile beslenen bir sistemi %43.6 elektrik verimle 4100 saat için çalıştırmıştır. 2004’e kadar 400MW’lık bir kapasite hedeflenmiştir.

• Diğer ilginç bir çalışma da Harrison Mining Corporation tarafından yapılmış yakıt olarak kömür denenmiş ve 250 kW’lık bir güce ulaşılmıştır.

• Bu hücrelerin önemli problemlerden biri termal yalıtkan malzemelerin sıcaklıkla bozunarak karbonlaşması ve yığınlar arasında kısa devreye neden olmasıdır.

Bu yöntemi kullanan yakıt hücrelerinin şeması ?ekil 3’de gösterilmiştir:

Katı oksit yakıt hücreleri:

Küçük ve büyük kapasitedeki hücre sistemlerine uygulanabilir. BMW hidrojen/benzin yakıtı ile beslenen bir katı oksit yakıt hücreli aracı prototip olarak üretmiştir. Siemens Westinghause tarafından üretilen 100 kW’lık bir ünite 1998 den bu yana kullanılmaktadır. Bunların elektriksel verimi %46’dır.

Katı oksit yakıt hücrelerinde başlıca problem hidrojen dışında yakıt kullanıldığında oluşan kükürt kirliliğidir. Alttaki şekilde bu hücrenin şeması ?ekil 4’de verilmiştir.

600-800°C’de kullanılabilecek katı oksit yakıt hücrelerinde yığın ve ısı eşanjör malzemelerinin fiyatları daha ucuz olabilir. Mümkün olabildiğince ince elektrolit tabakalarının kullanılması gerekir. Itrium-zirkonyum veya seryum-gadolinyum oksit karışımları olumlu sonuçlar vermektedir.

Yakıt hücrelerinde geliştirilmekte olan konular şöyledir:

• Hücrelerin yığın haline getirilme şekli (3 tip vardır: tüpsel, düzlemsel ve monolitik)

• 1000°C deki çalışmalar için bipolar katalizör ve ara bağlantı malzemeleri

• 600-800°C de çalışabilecek elektrot malzemeleri ve elektrolitlerin geliştirilmesi

• DMFC de anot katalizörlerin performansının arttırılması

• PEM teknolojisinde Nafion’a alternatif membran geliştirilmesi

Yakıt hücrelerini elde edilen güce ve uygulama alanlarına göre şöyle sınıflandırılabiliriz:

Düşük güçlü -5 kW Mikro-uygulama veya konut

5-10 kW Konut veya site

Orta güç 10-100 kW Site

50- 300 kW Ticari

Büyük güç 250 kW – 10 MW Güç santralleri

Çalışma sıcaklıkları ve kullanılan elektrolit cinsine göre de şöyle sınıflandırabiliriz:

Elektrolit Çalışma Sıcaklığı (°C)

Alkali yakıt hücreleri KOH 50 – 90

Proton değiştiren Polimer 0 - 125

Membran (PEM)

Doğrudan methanol Sülfürik asit

Kullanan Yakıt Hüc. veya polimer 50 – 120

(DMFC)

Fosforik asit (PAFC) Orto fosforik asit 190 – 210

Erimiş karbonat Li / K karbonat

(MCFC) arışımı 630 – 650

Katı oksit (SOFC) Stabilize zirkonyum 900 – 1000

Bunlar da güçleri ve kullanma teknolojilerine göre:

Düşük güçlü Ë PEMFC ve SOFC

Orta güçlü Ë AFC, PEM, SOFC, PAFC, MCFC

Büyük güçlü Ë PACF, MCFC, SOFC

olarak sınıflandırılır.

Kaynak : Kimya Teknolojileri
« Son Düzenleme: 08 Aralık 2014, 15:28:55 Gönderen: admin »

Mühendis Forum

HİDROJENLİ YAKIT HÜCRELERİ
« : 06 Ağustos 2008, 16:50:33 »