Metal Hidrür Reaktörlerde Hidrojen Şarj Basıncının Depolanan Hidrojen Kütlesine Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Metal Hidrür Reaktörlerde Hidrojen Şarj Basıncının Depolanan Hidrojen Kütlesine Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi M. Kayfeci 1, H. Kurt 2, F.Bedir 3 1 Karabük Üniversitesi, Karabük/Turkey, mkayfeci@karabuk.edu.tr 2 Karabük Üniversitesi, Karabük/Turkey, hkurt@karabuk.edu.tr 3 Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta/Turkey, fbedir@mmf.sdu.edu.tr Experimental Investigation of The Effects of Hydrogen Charge Pressure to Stored Hydrogen Mass at Metal Hydride Reactors Abstract In this study, the effect of the hydrogen charge pressure on the amount of hydrogen stored in metal hydride reactors was investigated experimentally. Heat is produced by the exothermic reaction during the hydrogen charging into the hydride reactor. During the experiments, hydrogen charging pressure is adjusted to different pressures as; 2, 4, 6 and 8 bar, and measurements were taken and the temperature profiles were determined for 00 s. According to the experimental results, as the pressure increased the rate of the exothermic reaction was increased leading to an increase in temperature. Besides, depending on the increasing number of the reaction, the amount of stored hydrogen was increased. Keywords Metal hydride, hydrogen storage, reactor I. GİRİŞ Fosil yakıt emisyonlarının çevresel etkileri ve bu yakıt rezervlerinin gittikçe azalması; yenilenebilir, temiz bir enerji kaynağı olarak hidrojen enerjisini ön plana çıkarmıştır. Isıl veriminin yüksek olmasının yanında, yanması sonucu zararlı emisyon oluşturmaması hidrojen gazının önemli özelliklerindendir. Ancak birçok önemli üstünlüklerinin yanında doğada bilinen en hafif gaz olması (yoğunluğu 0,08 kg/m 3 ) sebebiyle depolanmasında karşılaşılan problemler hidrojenin geniş uygulama alanları bulması ve yaygınlaşmasını engellemektedir. Hidrojen depolama amacıyla birçok yöntem kullanılmaktadır. Bunlar kompozit silindirlerde gaz olarak, sıvılaştırılmış olarak, cam mikro kürelerde, karbon nanotüplerde, metal hidrürler, sodyum bor hidrür ve yer altı mağaralarında depolama v.b. uygulamalardır. Bunlar içerisinde ağırlık olarak en yüksek hidrojen depolama kapasitelerine sahip olmaları nedeniyle metal hidrürlerde ve sodyum bor hidrür içerisinde kimyasal olarak depolama yöntemleri ön plana çıkmaktadır. Metal hidrürler güvenlik, hidrojen depolama kapasiteleri ve taşıtlarda mobil uygulamalar gibi özellikleri nedeniyle hidrojen depolama yöntemleri içerisinde en önemli olanıdır. Metal hidrür depolama alanında birçok çalışma yapılmakla beraber düşük çalışma sıcaklıkları nedeniyle AB 5 tipi metal hidrür alaşımları yoğun şekilde araştırılmaktadır. Aldaş vd. (2002) metal hidrür yatakta hidrojen depolanmasını sayısal olarak incelemişler ve çalışma sonucunda hidrür oluşumunda en önemli parametrenin denge basıncı olduğunu göstermişlerdir. Diğer yandan hidrür oluşumu soğutulan yüzeylerde daha fazla, diğer yüzeylerde ise yavaş gerçekleşmektedir. Bu nedenle hidrür reaktörde oluşan ısının uzaklaştırılması son derece önemlidir. Kaplan (2009) metal hidrür reaktörlerde dizayn parametrelerinin hidrojen şarjına etkisini belirlemek amacıyla yaptığı çalışmasında kanatçıksız, kanatçıklı ve su soğutmalı olmak üzere üç farklı reaktör tasarımı yapmış ve LaNi 5 alaşımı kullanarak yaptığı deneylerde, reaksiyon sonucu oluşan ısının reaktörden transfer edilmesiyle hidrojen şarj hızında ve reaksiyon kinetiklerinde önemli iyileştirmeler sağladığını belirlemiştir. Melloulia et al. (2007) deneysel çalışmalarında spiral ısı değiştirici şeklinde bir reaktör geliştirmişlerdir. Yerleştirilen bu ısı değiştirici toplam depolama problemlerini azaltmada önemli katkılar sağlamıştır. Cheng et al (2008) yaptıkları bu çalışmalarında hidrojen şarj/deşarj çevriminin LaNi 4.25 Al 0.75 hidrojen depolama özelliklerine etkisi incelenmiştir. 0 şarj/deşarj çevriminden sonar şarj kinetiklerinde çok önemli bozulmalar gözlenirken plato basıncı ve depolama kapasitesi kinetiklerinde çok küçük değişimler gözlenmiştir. Park et al. (2009) çalışmalarında ısıl enerji uygulamalarında birleştirilmiş AB 5 tipi yüksek güçlü metal hidrür reaktörlerini araştırmışlardır. Her biri sırasıyla düşük ve yüksek basınçlı metal hidrür içeren LaNi x Al 5-x veya Ca y Mm 1-y Ni 5 alaşımlarından birini içeren iki reaktörün birleştirilmesi ile test reaktörleri oluşturulmuştur. Alaşımlara alüminyum ilavesinin reaksiyon kinetiklerinde önemli iyileşmelere neden olduğunu göstermiştir. Yapılan bu çalışmada tasarlanan ve imal edilen bir metal hidrür reaktör LaNi 4.75 Al 0.25 alaşımla doldurulmuş ve deneyler yapılmıştır. Hidrojen depolama miktarına şarj basıncının etkisini belirlemek amacıyla basınç 2, 4, 6 ve 8 bar olarak değiştirilerek deneyler tekrarlanmıştır. Her bir basınç değerinde 00 s boyunca sürdürülen deneylerde sıcaklık ve 222

2 Metal Hidrür Reaktörlerde Hidrojen Şarj Basıncının Depolanan Hidrojen depolanan hidrojen kütlesinin zamana bağlı değişimi kaydedilmiştir. II. DENEYSEL METOT Deneylerde St 42 çelik malzemeden imal edilen kanatçıksız metal hidrür reaktör kullanılmıştır. Şekil 1 de gösterilen reaktör 12 uzunluğunda, 24 mm dış çapında ve 2 mm et kalınlığındadır. Reaktörler % oranında LaNi 4.75 Al 0.25 malzeme ile doldurulmuştur. Metal hidrür reaktörlerde sıcaklık dağılımını belirlemek amacıyla reaktörlerin z- ekseni boyunca 5, 20, ve noktalarına dört adet termokupl yerleştirilmiştir. Şekil 1: Metal Hidrür Reaktör Kesiti alaşım doldurulmuştur. Fırın içerisine yerleştirilen reaktör vakum pompasına bağlanarak 2 C ye ısıtılmış ve 1 saat boyunca vakumlanmıştır. Bu işlemden sonra hidrojen tesisatına bağlanan reaktör 8 bar hidrojen basıncı altında şarj edilmiştir. Bu işlemler reaktörde aktivasyon işleminin tam olarak gerçekleşmesi için 5 defa tekrar edilmiştir. Tam aktivasyon gerçekleştikten sonra deneysel işlemlere geçilmiştir. Reaktör üzerine 4 adet termokupl z-ekseni boyunca 5, 20, ve konumlarına yerleştirilmiştir. Hızlı bağlantı parçasıyla tesisata bağlanan reaktör hassas terazi üzerine yerleştirilmiştir. Sıcaklık tarayıcı cihaz ve hassas terazi veri kaydedici kablolarla bilgisayara bağlanarak veriler kaydedilmiştir. Hidrojen şarj basıncı bir basınç regülatörü yardımıyla 2, 4, 6 ve 8 bar gibi farklı basınçlara ayarlanmıştır. Deneysel çalışmalarda öncelikle şarj basıncı 8 bar olarak ayarlanmış ve 00 s boyunca sıcaklık değişimi ve kütle değişimi kaydedilmiştir. Deney sonunda reaktör 2 C ye ısıtılarak depolanan hidrojen tamamen boşaltılmıştır. Daha sonra basınç 2, 4 ve 6 bar olarak değiştirilerek deneylere devam edilmiştir. Metal hidrür reaktörlerde tasarımın, reaksiyon hızına, depolanan hidrojen miktarına ve LaNi 4.75 Al 0.25 alaşımlarının hidrojen absorpsiyon özelliklerinin belirlenmesi için oluşturulan deney düzeneği Şekil 2 de gösterilmiştir. Düzenek bir reaktör, ince partikül üretmek için çelik bilyeli mekanik öğütücü, deneylerden önce reaktör içerisindeki nem ve havayı boşaltmak için bir vakum pompası, reaktör içerisinde kalan nemi ve havayı buharlaştırmak için fırın, manometreler, termokupllar, veri toplama sistemi, hidrojen basıncını ayarlamak için regülatör, hidrojen ve su pompaları, % saflıkta hidrojen içeren bir tank ve atmosfer şartlarının altında çalışma sağlamak için azot tankı bulunmaktadır. Şekil 3: Deney Sistemi Görünüşü III. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Şekil 2: Metal Hidrür Reaktörde Hidrojen Depolama Deney Tesisatı Deneylerde önce içerisine 1/10 oranında çelik bilye yerleştirilmiş çapında ve mm yüksekliğindeki mekanik öğütücüde 4 saat süreyle öğütülen LaNi 4.75 Al 0.25 malzeme azot gazı altında hidrür reaktöre doldurulmuştur. Azot gazı, alaşımda olası oksidasyonu önlemek için kullanılmıştır. Öğütücü hızı 515 rpm olarak ayarlanmıştır. Reaktöre 135 gr ağırlığında, reaktör hacminin % i oranında Bu çalışmada St42 malzemeden kanatçıksız olarak bir reaktör tasarlanmış ve imal edilmiştir. Reaktöre 4 saat boyunca öğütülmüş, 135 gr ağırlığında LaNi 4.75 Al 0.25 metal hidrür tozu doldurulmuştur. Çalışmada hidrojen şarj basıncının depolama kinetiklerine etkisini belirlemek için şarj basıncı 2, 4 6 ve 8 bar olarak değiştirilerek her basınç değeri için 00 s boyunca deneyler sürdürülmüştür. Bu deneylerde reaktörlerin z-ekseni boyunca 5, 20, ve noktalarına termokupl bağlanarak zamana bağlı sıcaklık profilleri ve kütle değişimi ölçülmüştür. Metal hidrür reaktörlerde yüksek şarj basınçlarında ölçülen sıcaklık değerleri, düşük şarj basınçlarında ölçülen sıcaklık değerlerinden göre daha büyüktür. Bunun sebebi şarj basıncındaki artışın reaksiyon hızını arttırıcı yönde etki 223

3 M. Kayfeci, H. Kurt and F.Bedir etmesidir. Dolayısıyla yüksek şarj basınçlarında ekzotermik reaksiyon daha hızlı olmakta, şarj basıncı azaldıkça reaksiyon hızı da azalmaktadır. Reaksiyon sonucunda oluşan ısının merkezde daha yüksek olduğu, merkezden cidara doğru gelindikçe ise azaldığı görülmektedir. Ayrıca z düzleminde mesafe artıkça sıcaklığın artığı, maksimum sıcaklık eğrilerinin ise z = noktasında olduğu görülmektedir. Örneğin reaktörde 8 bar şarj basıncında, reaktörün z = mm konumunda sıcaklık C ye kadar ulaşmaktadır. Buna ilaveten reaktör uzunluğu boyunca farklı konumlar için maksimum sıcaklığa ulaşma süreleri farklıdır. Reaktörün üst bölümü hidrojenle daha önce karşılaştığı için, burada reaktörün alt bölümüne göre daha az hidrojen bulunmaktadır. Giriş bölgesine yaklaştıkça hidrojen absorpsiyonu tamamlanır ve z-doğrultusunda gidildikçe hidrojenle daha fazla kontak kurma şansı vardır. Böylece reaktör tabanına doğru sıcaklık zamanla artarak maksimum değere ulaşır. Ayrıca hidrojen absorpsiyon reaksiyonunun doğasında olan, ekzotermik reaksiyonla ısı üretiminden dolayı oluşan sıcaklık artışı sonucu reaktör girişine doğru reaksiyon sayısında düşüş meydana gelir. Bunların yanında reaktörlerde depolanan hidrojen miktarının zamana göre değişimini belirlemek için yapılan deneylerde hidrojen şarj basıncının ve reaktör tasarımının depolanan hidrojen miktarını önemli ölçüde etkilediği belirlenmiştir. Bu amaçla reaktörde 4, 6 ve 8 bar şarj basınçlarda hidrojen şarjı yapılmış ve depolanan hidrojen miktarı zamana bağlı olarak ölçülmüştür. Reaktöre hidrojen şarj basıncı arttıkça depolanan hidrojen miktarı da artmıştır. Depolanan hidrojen miktarı ilk 0 s sürede hızlı ekzotermik reaksiyonlar sonucu çok hızlı artarken daha sonra reaksiyonların yavaşlamaya başlamasıyla düşmüştür Reaktöre 2, 4, 6 ve 8 bar basınçlarda 00 s boyunca hidrojen şarj edilmiş ve reaktörün z = 5, 20, ve konumlarında zamana bağlı sıcaklık dağılımları Şekil 3, a, b c, d de gösterilmiştir. Buna göre reaktör merkezinden tabana doğru gidildikçe maksimum sıcaklığa ulaşma süresi artmaktadır. Bunun nedeni de ekzotermik reaksiyonun reaktör girişinde başlamasıdır. Reaktörün bütün konumlarında maksimum sıcaklığa yaklaşık 0 s süre içerisinde ulaşılmıştır. Bu sürede reaksiyon hızlı şekilde gerçekleşmekte ve sıcaklık maksimum değere ulaşmaktadır. Sıcaklık maksimum değere ulaştıktan sonra reaksiyonların azalmaya başlamasıyla sıcaklık azalmaya ve 00 s nin sonunda yaklaşık oda sıcaklıklarına gelmektedir. Maksimum sıcaklıklar konumunda ölçülmüştür. 2, 4, 6 ve 8 bar basınçlarda ölçülen maksimum sıcaklıklar sırasıyla 88.77,.66, ve C olarak ölçülmüştür (a) (b) (c) 224

4 m (g) Metal Hidrür Reaktörlerde Hidrojen Şarj Basıncının Depolanan Hidrojen (d) Şekil 3: z = 5, 20, ve noktalarında zamana bağlı sıcaklık değişimi 2 bar(a), 4 bar(b), 6 bar(c) ve 8 bar(d). Reaktörde z = konumunda 2, 4, 6 ve 8 bar şarj basınçlarında 00 s boyunca zamana göre sıcaklığın değişimi Şekil 4 te gösterilmiştir. Bu konumda her bir basınç değerinde, yaklaşık 0 s sürede maksimum sıcaklığa ulaşılmış daha sonra reaksiyon sayısı azalmaya ve sıcaklıkta reaksiyonlara bağlı olarak düşmeye başlamış 00 s sonunda oda sıcaklıklarına gelmiştir. Maksimum sıcaklık 8 bar basınçta gerçekleşmiş ve basınç düştükçe maksimum sıcaklıkta düşmüştür. Ayrıca basınç yükseldikçe ekzotermik reaksiyon sayısının artmasıyla depolanan hidrojen miktarı da artmıştır. Reaktörde 2, 4, 6 ve 8 bar basınçlarda maksimum sıcaklıklar sırasıyla 88.77, , ve C olarak ölçülmüştür. 1 8 bar 6 bar 4 bar 2 bar Şekil 4: Farklı hidrojen basınçlarında (2, 4, 6 ve 8 bar) konumunda zamana bağlı sıcaklık değişimi bar 6 bar 8 bar Şekil 5: Reaktörde basınca göre depolanan hidrojen kütlesinin zamana göre değişimi Reaktörde 4, 6 ve 8 bar hidrojen şarj basınçlarında depolanan hidrojen kütlelerinin zamana göre değişimleri Şekil 5 te gösterilmiştir. İlk 0 s sürede reaksiyon hızlı bir şekilde gerçekleşmekte buna paralel olarak hidrojen kütlesi de artmaktadır. Bu süreden sonra kütle artış hızı yavaşlamakta ve maksimum kapasiteye geldikten sonra sabit bir değerde kalmaktadır. Reaktörde sıcaklık artışıyla kütle artışı bir birine paralel olarak gerçekleşmektedir. Reaktörde şarj basıncı 4, 6 ve 8 bar olarak değiştirilmiş ve bu basınçlarda depolanan hidrojen miktarı sırasıyla 1.01, 1.17 ve 1.39 g olarak gerçekleşmiştir. Hidrojen şarj basıncıyla orantılı olarak ekzotermik reaksiyon hızlanmakta ve dolayısıyla depolanan hidrojen miktarı da artmıştır. Ayrıca LaNi 5 alaşımlarına Al ilavesi reaksiyon hızını arttırmıştır. Reaktör yaklaşık 0 s sürede tam olarak şarj edilmiştir. IV. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Hidrojen şarjı esnasında bütün basınç değerlerinde ekzotermik reaksiyondan dolayı ilk 0 s sürede sıcaklık hızlı bir şekilde yükselmiştir. Reaktörde oluşan maksimum sıcaklık değerleri hidrojen şarj basıncına bağlı olarak basınç arttıkça maksimum sıcaklık değerleri artmıştır. Diğer yandan basıncın depolanan hidrojen kütlesine etkisini belirlemek için yapılan deneylerde şarj basıncı 4, 6 ve 8 bar olarak değiştirilmiştir. Bu basınçlarda depolanan hidrojen miktarı sırasıyla 1.01, 1.17 ve 1.39 g olarak gerçekleşmiştir. Hidrojen şarj basıncıyla orantılı olarak ekzotermik reaksiyon hızlanmakta ve dolayısıyla depolanan hidrojen miktarı da artmaktadır. LaNi 4.75 Al 0.25 alaşımları doldurulmuş metal hidrür reaktörlerde hidrojen depolama parametrelerine hidrür reaktör tasarımının etkisini incelemek amacıyla yapılan bu çalışmada, aktivasyon hızı, reaksiyon hızı ve termodinamik özelliklerde çok iyi sonuçlar alınmakla beraber, daha sonraki çalışmalarda aşağıda önerilen araştırmalar yapılabilir. 225

5 M. Kayfeci, H. Kurt and F.Bedir Deneylerin yapıldığı ortam sıcaklığının sabit tutulmalı ve çevre sıcaklığının deney sonuçlarını etkilemesi önlenmelidir. Reaktör malzemeleri hidrojen depolanan malzemeye yakın veya aynı malzemeden imal edilmeli. Daha kısa sürede doldurulup boşaltılabilecek reaktör tasarlanması ve imalatı için; efektif ısı transfer katsayısını arttırmak için farklı ısı değiştiricisi tasarımları yapılmalıdır. TEŞEKKÜR Yazarlar 1710-D-08 Nolu Bilimsel Araştırma Projesi ile çalışmalarını destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimine teşekkür ederler. KAYNAKLAR [1] K. Aldaş, M.D. Mat, and Y. Kaplan, A three-dimensional mathematical model for absorption in a metal hydride bed, International Journal of Hydrogen Energy, vol:27, pp , [2] Y. Kaplan, Effect of design parameters on enhancement of hydrogen charging in metal hydride reactors, International Journal of Hydrogen Energy, vol.34, pp , [3] S. Melloulia, F. Askri, H. Dhaou, A. Jemni and S.B. Nasrallah, A novel design of a heat exchanger for a metal-hydrogen reactor, International Journal of Hydrogen Energy, Vol.32, pp.31 37, [4] H.H. Cheng, H.G. Li Yang, X.X. Denga, D.M. Chena and K. Yanga, Effect of hydrogen absorption/desorption cycling on hydrogen storage performance of LaNi 4.25Al 0.75, Journal of Alloys and Compounds vol.453, pp , [5] S. Park, J.K. Kim, K.J. Kim, J. Zhanga, C. Park and K. Gawlik, Investigation of coupled AB 5 type high-power metal hydride reactors, International journal of hydrogen energy, vol. 34, pp ,