MKM 537: FUEL CELL TECHNOLOGY AND APPLICATIONS. Type: Level: Graduate Semester: 5 veya 7. 3 ECTS credits (workload based):

Transkript

1 MKM 537: FUEL CELL TECHNOLOGY AND APPLICATIONS Program/Department: Chemical Engineering Type: Selective Level: Graduate Semester: 5 veya 7 Credits: 3 ECTS credits (workload based): 8 Theoretical Credits: 3 Laboratory Credits - Course hours (weekly): 3 Practical contact (weekly): - Internship work: - Examination hours: 3 Lecturer: Dr. R. Gültekin AKAY Language of Instruction: English Objective: This course is designed to develop an understanding of fundamentals, importance and state-of-the-art of fuel cell technology and to develop skills that will make the student capable of designing novel systems based on the fundamentals of fuel cells. At the end of the lessons, students should understand the following: 1. To explain the working principles of fuel cells. 2. To identify the advantages & disadvantages of fuel cells w.r.t. existing technologies (i.e. batteries & engines) 3. To describe the physical architecture of the PEM fuel cell 4. To understand the basic phenomena occuring in each part of the fuel cell system (electrodes, membranes, GDL etc.) 5. To identify potential materials (membranes, catalysts, carbon materials etc) alternative to the existing ones in different parts of the fuel cell. Contents Unit 1: Introduction: Fuel Cells Understand the working principles of fuel cells Know the historical development of Fuel Cells Identify the advantages & disadvantages of fuel cells w.r.t. existing technologies (i.e. batteries & engines) Explain the different types of fuel cell technologies and their pro's and con s Unit 2 : Applications & Researches in the World

2 Identify existing applications for fuel cells and the state-of-the-art of the technology Can decide whether a designed fuel cell system is feasible for a specific application area Unit 3: Chemistry & Thermodynamics of Fuel Cells Understands the basic phenomena occuring in each part of the fuel cell system (electrodes, membranes, GDL etc.) Define fuel cell stack efficiency and overall system efficiency Can calculate the output and efficiency of a fuel cell at different operating conditions Unit 4 : Electrochemistry of Fuel Cells Can calculate the output and efficiency of a fuel cell at different operating conditions Unit 5: Operating Conditions and Diagnostics Explain operating characteristics of PEM fuel cells (polarization curve and influence of temperature, pressure, stoichiometry, H2 purity) Can diagnose a fuel cell using the outputs of specific diagnostic tests (Polarization curve, impedance spectroscopy etc.) Unit 6: Components of Fuel Cells Describe the physical architecture of the PEM fuel cell (membrane, electrodes, plates) and fuel cell stack design Know the role of proton exchane membranes, pros and cons of commercialized ones and alternatives. Can identify potential materials (membranes, catalysts, carbon materials etc) alternative to the existing ones in different parts of the fuel cell. Unit 7: Hydrogen Production, Storage & Economy Describe various hydrogen production methods (reforming, electrolysis etc.) Define wheel-to-well efficiency and emissions for different energy sources and hydrogen production techniques Describe the chemical characteristics of common fuels and their suitability for hydrogen production through reforming Explain current status of hydrogen storage systems and materials (high pressure hydrogen cylinders and metal hydride technologies) Knows physical and chemical properties of hydrogen Recognize hydrogen safety Compare volume and weight of various energy storage and hydrogen storage technologies Unit 8: Fuel Cell System & Stack Design Describe the physical architecture of the PEM fuel cell (membrane, electrodes, plates) and fuel cell stack design Describe generic hydrogen fuel cell system designs Can design novel fuel cell systems based on the fundamentals using different fuels, materials and architecture

3 WEEK 1 Introduction: Fuel Cells WEEK 8 PRESENTATIONS Applications & Researches in the World WEEK 2 Types of fuel cells and their WEEK 9 Components of Fuel Cells principles of operating WEEK 3 Chemistry & Thermodynamics of WEEK 10 Components of Fuel Cells Fuel Cells WEEK 4 Electrochemistry of Fuel Cells WEEK 11 Fuel Cell System & Stack Design WEEK 5 Voltage Losses (Overpotentials) WEEK 12 Hydrogen Production, Storage & Economy WEEK 6 Operating Conditions and WEEK 13 Hydrogen Production, Storage & Diagnostics Economy WEEK 7 Operating Conditions and Diagnostics WEEK 14 PROJECT PRESENTATIONS Teaching and Learning Material Coursebook: 1) Barbir F., PEM Fuel Cells theory and Practice, Elsevier Academic Press, ) Srinivasan, S., Fuel cells: from fundamentals to applications, New York, Springer, p. 203, 2006 References Barbir F., PEM Fuel Cells theory and Practice, Elsevier Academic Press, Srinivasan, S., Fuel cells: from fundamentals to applications, New York, Springer, p. 203, 2006 Hogarth, M.,Glipa, X., Johnson Matthey Technology Centre, ETSU F/02/00189/REP DTI/Pub URN 01/893 Savadogo O. Emerging membranes for electrochemical systems: (I) solid polymer electrolyte membrane for fuel cell systems, Journal of New Materials for Electrochemical Systems I, 47, (1998) Park, S. M., Yoo, J. S., Electrochemical Impedance Spectroscopy for Better Electrochemical Measurements, November 1, , American Chemical Society, Analytical Chemistry, 455 A-461 A, 2003 Teaching Methods Managing lessons by lecturer Interactive working with class Team working through homeworks Presenting homeworks Preparing a project Evaluation methods: TERM: 70% (Two visa (written): 50%, homeworks: 10%, Quizzes: 10%, Presentations: 10%, Project: 20%) FINAL:30% MKM 537: YAKIT HÜCRESİ TEKNOLOJİSİ VE UYGULAMALARI

4 Program/Bölüm: Kimya Mühendisliği Türü: Seçmeli Seviye: Y. Lisans Yarıyıl: 5 veya 7 Kredi: 3 ECTS kredisi (işyükü bazında): 8 Teori 3 Laboratuar - Ders saati (haftalık): 3 Uygulama saati (Haftalık): - Staj çalışması: - Sınav saati: 3 Öğretim üyesi/yardımcısı: Dr. R. Gültekin AKAY Dersin verildiği dil: İNGİLİZCE Amaç: Bu dersin amacı öğrencilere yakıt pili teknolojisinin temel bilgilerini vermek, günümüzdeki durumun anlatmak, yeni yakıt pili uygulamaları geliştirebilecek yetenekleri kazandırmaktır. Öğrenme sonuçları: Bu dersin sonunda öğrenci aşağıdakileri kavramış ve yapacak durumda olacaktır: 1. Yakıt pilinin temel çalışma prensiplerini öğrenecektir. 2. Yakıt pili teknolojisinin günümüzdeki diğer enerji üretim teknolojilerine (piller, motorlar) göre avantaj ve dezavantajlarını tanımlayabilecektir. 3. PEM yakıt pillerinin fiziksel mimarisini tanımlayabilecektir. 4. Yakıt hücresi sisteminin her bir bölümündeki ( elektrot, membrane, GDL vb.. ) temel fenomenleri anlayabilecek, sorunların hangi bölümden kaynaklandığını tanımlayabilecektir. 5. Şu anda kullanılan malzemelerin yerine potansiyel alternatif malzemeler önerebilecektir (membrane, katalizör, karbon malzemeler.. ) İçerik: Ünite 1: Giriş: Yakıt Pilleri Yakıt pillerinin temel çalşma prensiplerini anlamak Yakıt pillerinin tarihsel gelişimini bilmek Yakıt pili teknolojisinin günümüzdeki diğer enerji üretim teknolojilerine (piller, motorlar) göre avantaj ve dezavantajlarını tanımlayabilecektir. Ünite 2 : Uygulamalar ve Dünyadaki Ar-Ge faaliyetleri

5 Günümüzdeki uygulama alanlarını tanımlamak, teknolojinin bugünkü durumnu bilmek Bir yakıt hücresi sisteminin belirli bir alan için karlı ve uygun olup olmadığını analiz etmek Ünite 3: Yakıt Hücrelerinin Kimya ve Termodinamiği Yakıt hücresi sisteminin her bir bölümündeki ( elektrot, membrane, GDL vb.. ) temel fenomenleri anlayabilmek, sorunların hangi bölümden kaynaklandığını tanımlayabilmek. Ünite 4 : Yakıt Hücrelerinin Elektrokimyası Çıkış enerjisi ve verimliliği farklı çalışma ortamlarında hesaplayabilmek. Ünite 5: Çalışma Şartları ve Teşhis (Diagnostics) PEM yakıt hücrelerinde Çalışma Şartlarının karakteristiklerini açıklamak (polarizasyon eğrisi ve sıcaklık; basınç; stokiyometri, hidrojen saflığı vb.) Spesifik teşhis yöntemleriyle bir yakıt pilinin çıktısını analiz etmek (Polarizasyon eğrisi; empedans spektrometre vb.) Ünite 6: Yakıt Hücresinin Parçaları PEM yakıt pillerinin fiziksel mimarisini tanımlamak (membrane, elektrotlar, plakalar..) ve yakıt hücresi yığını dizaynı Proton değişim membranlarının rolünü bilmek, ticari malzemelerle araştırılan alternative malzemeleri karşılaştırmak. Şu anda kullanılan malzemelerin yerine potansiyel alternatif malzemeler önerebilecektir (membrane, katalizör, karbon malzemeler.. ) Ünite 7: Hidrojen Üretimi, depolanması ve Ekonomisi Çeşitli üretim yöntemlerini tanımlamak (reforming, elektroliz..) Verimlilik ve farklı kaynakların emisyona etkileri Günümüzde hidrojen depolama sistemlerinin durumu, alternatifler, araştırmalar Hidrojenin fiziksel ve kimyasalözelliklerini bilmek Hidrojen güvenliği kavramını anlamak Ünite 8: Yakıt Pili Sitemleri ve Yığın Modellemesi PEM yakıt pillerinin fiziksel mimarisini tanımlamak (membrane, elektrotlar, plakalar..) ve yakıt hücresi yığını dizaynı Varolan dizaynlardan örnekler incelenmesi Yeni sistemler, yeni malzemeler, ve mimari önerileri (Proje) 1.Hafta Giriş: Yakıt Pilleri 8.Hafta Sunumlar

6 Uygulamalar ve Dünyadaki Ar- Ge faaliyetleri 2.Hafta Yakıt hücrelerinin çeşitleri ve temel çalışma prensipleri 3.Hafta Yakıt Hücrelerinin Kimya ve Termodinamiği 4.Hafta Yakıt Hücrelerinin Elektrokimyası 5.Hafta Yakıt Hücrelerinin Elektrokimyası 6.Hafta Çalışma Şartları ve Teşhis (Diagnostics) 9.Hafta 10.Hafta 11.Hafta 12.Hafta 13.Hafta Yakıt Hücresinin Parçaları Yakıt Hücresinin Parçaları Hidrojen Üretimi, depolanması ve Ekonomisi Hidrojen Üretimi, depolanması ve Ekonomisi Yakıt Pili Sitemleri ve Yığın Modellemesi 7.Hafta Çalışma Şartları ve Teşhis (Diagnostics) 14.Hafta Proje Sunumları Öğretme materyali: Ders kitabı: 1) Barbir F., PEM Fuel Cells theory and Practice, Elsevier Academic Press, ) Srinivasan, S., Fuel cells: from fundamentals to applications, New York, Springer, p. 203, 2006 Kaynaklar Barbir F., PEM Fuel Cells theory and Practice, Elsevier Academic Press, Srinivasan, S., Fuel cells: from fundamentals to applications, New York, Springer, p. 203, 2006 Barbir F., PEM Fuel Cells theory and Practice, Elsevier Academic Press, Hogarth, M.,Glipa, X., Johnson Matthey Technology Centre, ETSU F/02/00189/REP DTI/Pub URN 01/893 Savadogo O. Emerging membranes for electrochemical systems: (I) solid polymer electrolyte membrane for fuel cell systems, Journal of New Materials for Electrochemical Systems I, 47, (1998) Park, S. M., Yoo, J. S., Electrochemical Impedance Spectroscopy for Better Electrochemical Measurements, November 1, , American Chemical Society, Analytical Chemistry, 455 A-461 A, 2003 Öğretme metotları Öğretim üyesinin ders yönlendirmesi Sınıf ile etkileşim Ödevlerle ekip çalışması Ödevlerin sözlü sunumu Değerlendirme metodları: TERM: %70 (İki arasınav: %50, Ödevler: %10, Kısa Sınavlar: %10, Sunumlar: %10, Proje: %20) FINAL: % 30