MM548 Yakıt Pillerinin Prensibi ve Uygulaması

Transkript

1 MM548 Yakıt Pillerinin Prensibi ve Uygulaması 2015 Güz Dönemi Yrd.Doç.Dr. Muhittin Bilgili

2 Ders içeriği 1) Yakıt pillerine giriş 2) Yakıt pillerinin çalışma prensibi: - Elektro-Kimyasal Prosesler ve Elektrik Üretimi 3) Yakıt pillerinin tipleri (PEMFC, SOFC, MCFC,.) 4) Yakıt pillerinin yapısı 5) Yakıt pillerinin termodinamiği 6) Yakıt pillerinin performansı 7) Yakıt pillerindeki taşınım olayları 8) Hidrojen üretim yöntemleri 9) Hidrojen depolama yöntemleri

3 Notlandırma ve Devam Vize sınavı (% 40) Dönem Projesi ve Sunumu (%20) Final sınavı (% 40) Derse devam % 70 zorunludur.

4 Yakıt Pillerine Giriş Günümüzde yakıt pilleri konusundaki bilimsel çalışmalar ve teknoloji etkileyici ve sürekli bir şekilde gelişmektedir. Kayıtlı patent sayıları Amerika Birleşik Devletleri, Kanada ve İngiltere de 1975 yılından itibaren artışa geçmiştir lı yıllardan sonra özellikle Amerika Birleşik Devletlerinde bu konuda alınan patent sayıları hızlı bir şekilde artmıştır.

5 Yakıt Pillerine Giriş Benzer şekildeki patent destekleri konusunda bir ivme Japonya ve Güney Kore de göstermiştir. Bu ivme otomobil üreticileri tarafından sağlanmıştır. Yakıt pillerinin geliştirilmesi konusundaki hızlı ivmelenme yakın gelecekte azalacağa benzemiyor.

6 Yakıt Pillerine Giriş Enerji ihtiyacının artması, Temiz çevrenin önemi, Fosil yakıtların tükenir olması, Sera gazı etkisi, İklim değişiklikleri, Yeni temiz enerji üreten teknolojiler!!!

7 Yakıt pillerinin tarihçesi

8 Yakıt Pili Nedir? Bir yakıt pili elektrokimyasal enerji dönüştürücüsüdür ve yakıtın kimyasal enerjisini direk ve verimli bir şekilde elektrik enerjisine çevirir. ısı hidrojen _ oksijen Yakıt BATTERY Pili DC elektrik + Su

9 Neden Yakıt Pilleri? Ürettikleri güç (1W-100kW) Yerel olarak ürettikleri enerji aynı yerde kullanılabilir, Yüksek verim, Düşük yada sıfır emisyon, Basit ve düşük maliyet, Haretketsiz parçalar ve uzun ömürlü, Sessiz, Boyut ve ağırlık, Ulusal güvenlik.

10 Alışılagelmiş Elektirik üretimi ve Yakıt Pili Karşılaştırılması 1. Yakıtın yanması; yakıtın kimyasal enerjisi ısıya dönüşür. 2. Buhar üretimi; bu ısı suyun kaynatılmasında ve buhar üretimi için kullanılır. 3. Buhar ise, türbini çalıştırmak için kullanılır ve ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşür. 4. Mekanik enerji jenaratörü çalıştırmak için kullanılır ve elektrik üretir. Yakıt pili yukarıdaki bu 4 işlemden kaçınarak elektriği tek bir basamakta herhangi bir hareketli parça içermeden üretir. Bu basit çalışma prensibi yakıt pillerine olan ilgiyi arttırmaktadır.

11 Neden PEM Yakıt Pilleri? Basit, Çabuk başlama, Hızlı yanıt, Yüksek verimleri, Yüksek güç yoğunluğu (kw/kg and kw/l), Sıfır emisyon.

12 PEM YH Çalışma Sistemi

13 Yakıt Pili Çalışması Kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren elektrokimyasal bir cihazdır. Suyun elektroliz mekanizmasının tam tersidir. Yakıt pilinin yapısı, ortada bir membran (elektrolit) ve elektrolit ile temas halinde gözenekli anot ve katottan oluşmaktadır. Bir yakıt pilinde gaz yakıtlar (genelde hidrojen) anot tarafından oksitleyici gazlar (genelde oksijen) ise katot tarafından verilir. Anotta yükseltgenme (elektron bırakma) reaksiyonları katotta ise indirgenme (elektron alma) reaksiyonları gerçekleşir. Toplam reaksiyon sonucunda ürün olarak su ve ısı ortaya çıkar. Çıkan suyun kimyasal potansiyeli hidrojen ve oksijenin kimyasal potansiyellerinin toplamından düşük olduğundan dolayı toplam kimyasal potansiyel farkı hidrojen ve oksijende su oluşması (reaksiyonun gerçekleşmesi) yönünde itici bir güç oluşturmaktadır. Elektrokimyasal reaksiyonlar elektrotlarda meydana gelir ve bir elektrik akımı ortaya çıkar. Anot Reaksiyonu (Hidrojen): 2H + + 2e - (Hidrojenin yükseltgenme reaksiyonu) H 2 Katot Reaksiyonu (Oksijen): 1/2 O 2 + 2H + + 2e - H 2 O (Oksijenin indirgenme reak.) Toplam Reaksiyon: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O

14

15 Yakıt pillerinin temel avantajları 1- Yüksek çalışma verimi, farklı ölçeklerde güç üretim kapasiteleri 2-Eğer hidrojen yakıt olarak kullanılırsa, kirletici emisyonlar hidrojenin üretim sürecindeki sonucuna bağlıdır. 3- Hareketli parçalar yok, (yakıt ve oksitleyici sağlayan kompresör ve pompalar hariç) 4-Potansiyel yakıt hammaddelerinin farklı seçenekleri (petrol, doğal gaz veya kömür rezervlerinden yenilenebilir etanol veya biyokütle hidrojen üretimi) 5-Piller ile karşılaştırıldığında yaklaşık olarak birden tekrar şarj kapasitesi.

16 PEM Yakıt Pilinin Bileşenleri

17 Yakıt Pili Tipleri Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pilleri (PEMYP) Direkt Metanollu Yakıt Pilleri (DMYP) Alkali Yakıt Pilleri (AYP) Fosforik Asit Yakıt Pilleri (FAYP) Erimiş Karbonat Yakıt Pilleri (EKYP) Katı Oksitli Yakıt Pilleri (KOYP)

18 Yakıt pillerinin karşılaştırması

19 Temel Kimya ve Termodinamiği Teorik Elektriksel İş G H T S 2 Teorik Yakıt Hücre Potansiyeli 1 S=(s f ) ( s ) ( s ) 2 H O f H f O o C de kj/mol kullanılabilir enerjinin kj/mol ü elektrik enerjisine dönüştürülebilir ve geriye kalan kj/mol lük kısmı ısıya dönüşür. Wel=q.E Wel = Elektriksel iş [ J/mol ] q = Yük [Coulombs/ mol] E = Potansiyel [V] Yakıt pili bir elektrokimyasal enerji dönüştürücüdür ve yakıtın (tipik olarak hidrojenin) kimyasal enerjisi direk olarak elektrik enerjisine dönüşür. Ayrıca termodinamik kurallarına da uymalıdır. Bir yakıt hücresinde hidrojenin üst ısıl değerinin elektriğe çevrilebilen kısmı sabit sıcaklık ve basınçta Gibbs serbest enerjisine karşılık gelir ve yukarıdaki Eşitlik ile verilir.

20 Temel Kimya ve Termodinamiği Bir yakıt hücresi reaksiyonundaki harcanan herbir H 2 molü için toplam yük transferi ifade edilirse, q=n.n Avg q el n = Herbir H2 molekülündeki elektronların sayısı (= herbir molekülde 2 elektron) N Avg = Herbir moldeki moleküllerin sayısı (Avagadro sayısı) = 6.022x1023molekül/mol qel = 1 elektron yükü=1.602x10-19 Coulombs/electron Avagadro sayısı ile 1 elektron yükünün çarpımı Faraday sabiti olarak bilinir. F=96485 Coulombs/elektron-mol Elektriksel iş böylece, Wel= n.f.e Önceden bahsedildiği üzere yakıt hücresinde üretilen max. elektrik enerjisinin miktarı Gibbs serbest enerjiye karşılık gelir, W el =-ΔG Yakıt hücresinin teorik potansiyeli, E=-ΔG/n.F n ve F in hepsi bilinenlerdir. Hidrojen/oksijen teorik yakıt hücre potansiyeli buradan hesaplanabilir, 1 G J mol E 1.23 Volt 1 n F Asmol

21 YP Verimi Yararlı enerji H G nfv i H H g nfv V v V H g g Isıl verim İdeal verim (tersinir) Gerçek verim İdeal voltaja göre verim ifadesi

22 Konsantrasyon Kayıpları Yakıt pilinde akım basladıktan sonra çevreleyen materyalin akıskanın ilk konsantrasyon degerini koruyamaması sebebiyle bir potansiyel kaybı olusur. Yakıt Pilllerindeki Kayıplar Yakıt pillerinde katalizör katmanında aktivasyon kayıpları, çiftkutuplu plakalarda ve elektrotta elektron kaybı, proton değişim membranında proton kaybı, direnç kayıpları ve konsantrasyon kayıpları gibi kayıplar sebebiyle gerçek performans, Şekilde görüldügü gibi ideal performanstan farklı bir eğri çizer. Aktivasyon Kayıpları reaksiyonların oluşması için aktivasyon enerjisi harcanmalıdır. Direnç Kayıpları Elektrolitteki iyonların akışına karşı olan direnç ve elektrot materyallerinde elektron akısına karsı olusan dirençler direnç kayıplarını olusturur.

23 Yakıt Pili Modelleri İncelenecek fiziksel olay : Su yönetimi (water management), Isı yönetimi (heat managemet), Gaz akış kanalları. Modellerin sınıflandırılması : Parçalı pil modeli (Yanlızca membran veya gaz difüzyon tabakası ) Tam pil modeli (YP nin tüm bileşenlerini içerir.) Yığın modeli (Stack Model)

24 Yakıt Pili Modeli Çözüm Alanı

25 Aralarındaki farkı anlamak: Tek hücre Yığın Sistem

26 PEMYH Yığınları PEM yakıt pilleri yığını farklı uygulamalar için yeterli güç üretimini sağlamak üzere seri olarak bir araya getirilmiş pillerden oluşur. Tek bir pil membran elektrot takımının (MEA-Membrane Electrote Assembly) iki bipolar plakalar arasına sıkıştırılmasından oluşur. Ballard PEMYH yığını Honda PEMYH yığını