ENERJİ SİSTEMLERİ LAB- II LABORATUVAR KILAVUZU

T.C. Sinop Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü SUBAT-2019 ENERJİ SİSTEMLERİ LAB- II LABORATUVAR KILAVUZU HAZIRLAYAN Arş. Gör. Mehmet Onur KARAAĞAÇ

HİDROJEN YAKIT PİLİ DENEY KILAVUZU Talimatlar, Uyarılar ve Önlemler - Metal hidrit kartuşları uygulama, doldurma, depolama ve kullanımı sırasında ateş, ısı kaynağı veya 40 C üstündeki sıcaklıklardan uzak tutulmalıdır. - Hidrid kartuşunun doldurulması sırasında maksimum basınç 30 barı geçmemelidir. - Hidrojen kartuşunu basınç regülatörleri bağlı iken beraber taşınmamalıdır. Tankın kapağının doğru şekilde yerleştirildiğinden emin olunmalıdır. - Ünite ile yapılan çalışma sona erdiğinde hidrit tankının doğru bir şekilde kapandığından emin olunmalıdır, ara yüz LED i kapatılmalı ve batarya uçları çıkarılmalıdır. - Bu ünitede hidrojen, yakıt olarak kullanılmaktadır. Hidrojen, toksik değildir ancak havadaki oksijenle yer değiştirdiği için boğucu etki yaratabilir. Bu sebepten dolayı ünite ile kapalı bir ortamda çalışıldığında; - Havalandırma sisteminin kapalı olmadığından emin olunmalıdır. - Her zaman belirtilen sıcaklık limitleri ile çalışılmalıdır. - Potansiyel hidrojen birikimini önlemek için yakıt pili kümesi her zaman iyi havalandırılmış alanda tutulmalıdır. - Hava ve oksijen karışımı potansiyel yanıcı, patlayıcı ve ısı kaynağının tetiklemesiyle yangına sebep olabilir. Bu sebeplerden dolayı tutuşmaya sebep olabilecek hiç bir madde ünite yanına bulundurulmamalıdır. - Yakıt pili kümesi çalışırken, potansiyel elektriksel tehlikesidir çünkü yanma veya elektrik şoklarına sebep olabilir: - Yakıt hücresininin plakalarına ya da herhangi bir elektriksel alete dokunmaktan kaçının. - Yakıt pilini çalıştırdığınız zaman metal takılar takmayın(yüzük, bileklik, kolye vb.) - Statik boşaltımları minimize edin, tüm üniteyi zemin ile bağlantılı tutun. - İletkenliği minimum noktada tutun, gazlı ya da sulu yüzeylere dokunmaktan kaçının, üniteyi nemli ortamlarda tutun. - Deney sona erdiğinde üniteyi oda sıcaklığında kapalı alanda bulundurun. Eğer, ünite uzun zamandır kullanılmıyorsa aşağıdaki adımları uygulamanız tavsiye edilir ( yalnızca ünite ile tekrar çalışıldığında düşük verim gözlemlenirse).

Sistem tanıtımı Ünite, nominal olarak 100 W güç ve proton geçirgen membranı yakıt pili (PEM) yığını ile sağlanır. Yığın, membran vasıtasıyla hava akışına olanak sağlayan kanallı levha şekilli 24 hücreden oluşur. Membran, hidrojen akışını kolaylaştırır ve serbest elektron üretir. Her bir hücre çifti arasında elektronların akışına olanak sağlayan ve elektriği yöneten ayırma plakaları vardır. Hücreler kendinden nemlendirmelidir ve herhangi bir dış nemlendirme türü gerektirmez. Yığın, iyi bir işlem için gerekli havayı ve uygun sıcaklığın devamını sağlayabilen tümleşik fana sahiptir. Hidrojen depolama, hidrojen ekonomisine ilişkin başlıca noktalardan birini temsil eder. Bu amaçla sistemde, metal-hidrit kap (300LN) dahil edilir. İçerideki hidrojenin emilimi sayesinde, hidrojen, güvenli ve garantili şekilde depolanır. Bu tüpün iç basıncı, 20-25 derecelik oda sıcaklığında 8 bardır. 15-20 bar lık boşaltma basıncına sahiptir ve bu nedenle EC5B ünitesi iki basınç regülatörü içerir. Bunlardan biri, çıkış basıncını 30 bar a ayarlamak için H2 silindirindeki kurulum içindir. Diğeri de, 0.40-0.50 bar aralığında yığına giriş basıncını ayarlamak için metal-hidrit tüpünün çıkışına yerleştirilir. Ek olarak, ünite, iki solenoit valf içerir. Bunlardan biri, yığından önce yerleştirilir. Hidrojen girişini kontrol eder ve ünite kapandığında valf, herhangi bir olası hidrojen sızıntısını engellemek için kapatılır. Yığının sıcaklığı 65 dereceyi aştığında bu valf otomatik olarak kapanır. Diğer valf, yığın çıkışına yerleştirilir. Uygun bir işlem için fazla su ve hidrojeni çıkışını sağlar. Ayrıca, ünite, yük düzenleme sistemine sahiptir. Üretilen elektrik enerjisinin incelenmesine, karakteristik uygulama eğrileri ve teorik eğriler ile karşılaştırılmasını sağlar. Üretilen akımın değiştirilmesine olanak sağlayan, değişken güç ayarlı reosta içerir. Ünite, ara yüzeye 12V sağlayan bir batarya içerir. Yığının tüm elektrik devresi, fazla akım (12A) ve düşük voltaj (12V) durumunda kısa devre tarafından korunur. Bu problemlerden birinin olması durumunda, hidrojen giriş solenoit valfi otomatik olarak kapanır. H2 silindirik tüp ile metal-hidrit tüp ve hidrit tüp ile yığın arasındaki bağlantılar ve hortumlar, H2 ile kullanımları için uygun malzemelerden yapılır. Testimizde kullanılan H2 basıncı çok yüksek olmamasına rağmen, maksimum 30 bar ve daha fazla güvenlik açısından 210 bar a kadar dayanabilen ünite ile sağlanan hortumlar olacaktır.

Son olarak, hidrojen kullanımında tehlike sonucunda, sırasıyla %0 ila %2 ve %0 ila %100 P.A.S (patlama alt sınırı) arasında bir algılama aralığına sahip hidrojen sızıntı detektörü içerir. Katı polimer pili veya proton değişimli membran hücresi (PEM) Bu hücreler, elektrolit olarak bilinen, polimer membrandan proton iletimi kullanır. Bu tür membran, elektrokatalizör (genellikle Pt) ile membran tarafında nüfuz eden iki geçirgen elektrot ve diğer taraftaki hidrofob materyal arasına yerleştirilir. Onlar, oldukça düşük sıcaklıklarda (80ºC civarı) çalışır ve yüksek güç yoğunluğuna sahiptirler. Güç talebindeki değişiklikleri karşılamak için çıkış güçlerini hızla değiştirebilirler. Böylelikle, yüksek başlangıç talebi gerektiren uygulamalar için uygundurlar. PEM hücrelerinde ele alınan tek sıvı sudur, bu nedenle korozyonun neden olduğu etkiler minimaldir. Modern teknoloji, bunların üretilmesine izin verir, şöyle ki bir tabaka kâğıdının kalınlığına sahip olabilir ve santimetre kare başına ma akımı üretebilir diğer bir deyişle akım yoğunluklarının diğer hücre türlerinden yüksektir. Son gelişmeler, sistemin verimliliğini artırmak için yakıt basınçlandırması ihtiyacını önüne geçer ve kullanılan geçirgen elektrotların taşmasını önlemek için suyun kontrol edilmesini sağlayarak, anottan gelen pozitif yükleri olumlu bir şekilde yerine getirebilmek için zarda gerekli kaliteyi korurlar. Uygulamalı deney 1: PEM yakıt pili çalışma prensiplerinin incelenmesi Amaç Bu uygulamanın amacı ünitenin ve PEM tipi yakıt hücrelerinin işletim temellerin anlaşılması ve kontrol edilmesidir. Deneysel gelişim 1. Metal hidrit tankının yeteri kadar hidrojen içerip içermediğini kontrol ediniz. Yeniden doldurulması gerekiyorsa, Ek-I ve Ek-II de belirtilen adımları uygulayınız. 2. Hidrit kartuşunun yakıt hücresi girişine Hysuply bağlantı kiti yardımıyla bağlayınız. (Ek- 1 de belirtilen şekilde) 3. Konsol bağlantısını yapınız. 4. Hidrit kartuşunu saat yönünün tersine yavaşça açın. Ardından, mümkün olan en kısa sürede EC5C kontrol yazılımını çalıştırın ve başlat tuşuna basın, başlatma işlemi başlayacaktır (20 sn.). 5. EC5B ünite regülatörünü yaklaşık 0,6 bara ayarlayın, böylece SP-1 vasıtasıyla yazılım üzerinden okuyacağınız kümenin giriş basıncı 0,4 ila 0,5 bar arasındadır.

6. Hidrojen girişine izin veren AVS-1 valfı açılacaktır. 7. Sistem sabitlenene kadar 5 dakika bekleyiniz. 8. Boşaltma valfının kapalı olduğunu ve sadece baslangıçta açıldığını(vınlama sesi duyacaksınız) ve daha sonra belli zaman aralıklarında, yarım saniyede bir kalan hidrojenin ve su buharının uzaklaştırılması için açıldığını gözlemleyin. 9. Yakıt pili kümesine hidrojen girişi sağlandıktan kısa bir süre sonra elektrik enerjisi üretilmeye başlanacaktır. Uygulamalı deney 2: PEM yakıt pilinin veriminin hesaplanması Amaç Bu uygulamanın amacı PEM yakıt pilinin veriminin hesaplanmasıdır. Deneysel prosedür 1. Metal hidrit tankının yeteri kadar hidrojen içerip içermediğini kontrol ediniz. Yeniden doldurulması gerekiyorsa, Ek-I ve Ek-II de belirtilen adımları uygulayınız. 2. Hidrit kartuşunun yakıt hücresi girişine Hysuply bağlantı kiti yardımıyla bağlayınız. (Ek- 1 de belirtilen şekilde) 3. Konsol bağlantısını yapınız. 4. Hidrit kartuşunu saat yönünün tersine yavaşça açın. Ardından, mümkün olan en kısa sürede EC5C kontrol yazılımını çalıştırın ve başlat tuşuna basın, başlatma işlemi başlayacaktır (20 sn.). 5. Hidrojen girişine izin veren AVS-1 valfı açılacaktır. 6. Sistem sabitlenene kadar 5 dakika bekleyiniz. 7. Debimetrenin iğne valfı ile bir ortalama akış (tahliye vanası açıldığında akış tepe değerleri gerekli ve dikkate alınmamalıdır) ayarlayın ve not alınız. 8. 5 dakika bekleyiniz ve ayarlı direnç ile akımı ayarlayınız. 9. Elde edilen elektrik gücünü hesaplayınız. Kg./h of H2 Nm 3 /h of H2 gas Power (kw) 1 11,12 33,33 0,0899 1 3,00 0,0708 0,788 2,359 Tablo 1: Teorik hidrojenin LHV değerleri

1. Elde edilen sonuçları aşağıdaki tabloya yazınız: Nm 3 /h of H2 gas Current (A) Power (kw) Table 2: Uygulamalı deney 2 de elde edilen sonuçlar 2. Kullanılan hidrojen akışına göre teorik elektrik gücünü hesaplayınız: W Teorik = Harcanan H 2 ( Nm3 h ) 3kW 1 ( Nm3 h ) H 2 3. PEM yakıt pilinin gerçek verimini aşağıdaki eşitlik yardımıyla hesaplayınız: η = Gerçek güç Teorik güç 100 Nm 3 /h of H2 gas Current (A) Power (kw) Efficiency (%) Table 3: Uygulamalı deney 2 de elde edilen sonuçlar 4. Elde edilen verime bağlı olarak kullanılan hidrojen akışı grafiğini temsil eden sonuçları karşılaştırınız. Uygulamalı deney 4: PEM yakıt pilinin akım yoğumluğunun bulunması Amaç Membran alanının hesaba katılarak PEM yakıt pilinin akım yoğunluğunun bulunması. Deneysel prosedür 1. Metal hidrit tankının yeteri kadar hidrojen içerip içermediğini kontrol ediniz. Yeniden doldurulması gerekiyorsa, Ek-I ve Ek-II de belirtilen adımları uygulayınız. 2. Hidrit kartuşunun yakıt hücresi girişine Hysuply bağlantı kiti yardımıyla bağlayınız. (Ek- 1 de belirtilen şekilde) 3. Konsol bağlantısını yapınız.

4. Hidrit kartuşunu saat yönünün tersine yavaşça açın. Ardından, mümkün olan en kısa sürede EC5C kontrol yazılımını çalıştırın ve başlat tuşuna basın, başlatma işlemi başlayacaktır (20 sn.). 5. Hidrojen girişine izin veren AVS-1 valfı açılacaktır. 6. Sistem sabitlenene kadar 5 dakika bekleyiniz. 7. Debimetrenin iğne valfı ile bir ortalama akış (tahliye vanası açıldığında akış tepe değerleri gerekli ve dikkate alınmamalıdır) ayarlayın ve not alınız. 8. 5 dakika bekleyiniz ve ayarlı direnç ile akımı ayarlayınız. 9. Elde edilen elektrik gücünü hesaplayınız. 10. Debimetrenin iğne valfi ile bir ortalama akış (tahliye vanası açıldığında akış tepe değerleri ve dikkate alınmamalıdır) ayarlayın ve aşağıya yazınız. 11. 5 dakika bekleyiniz ve elde edilen akımı yazınız. 12. Farklı birkaç hidrojen akışı ile işlemi tekrarlayınız. Elde edilen sonuçları yazınız. Tablolar ve sonuçlar Akım yoğunluğu, yakıt hücresi tasarımında akım değeri yerine kullanılabilir; i: akım yoğunluğu (A / cm 2 ) 1. Elde edilen sonuçları aşağıdaki tabloya yazınız: Nm 3 /h of H2 gas Akım (A) 2. Her bir hücrenin alanını hesaba katılarak yakıt pili kümesinin akım yoğunluğunu hesaplayın. Membranın boyutları: 90mm x 45mm i = I(A) A hücre (cm 2 )

Uygulamalı deney 4 te elde edilen sonuçlar Nm 3 /h of H2 gas Akım (A) Akım yoğunluğu, i (A/cm 2 ) Uygulamalı deney 5: PEM yakıt pilinin polarizasyon eğrisinin oluşturulması Amaç Bu uygulamanın amacı PEM yakıt pilinin gerçek kutuplaşma eğrisinin oluşturulmasıdır. Deneysel prosedür 1. Metal hidrit tankının yeteri kadar hidrojen içerip içermediğini kontrol ediniz. Yeniden doldurulması gerekiyorsa, Ek-I ve Ek-II de belirtilen adımları uygulayınız. 2. Hidrit kartuşunun yakıt hücresi girişine Hysuply bağlantı kiti yardımıyla bağlayınız. (Ek- 1 de belirtilen şekilde) 3. Konsol bağlantısını yapınız. 4. Hidrit kartuşunu saat yönünün tersine yavaşça açın. Ardından, mümkün olan en kısa sürede EC5C kontrol yazılımını çalıştırın ve başlat tuşuna basın, başlatma işlemi başlayacaktır (20 sn.). 5. Hidrojen girişine izin veren AVS-1 valfi açılacaktır. 6. Sistem sabitlenene kadar 5 dakika bekleyiniz. 7. Debimetrenin iğne valfi ile bir ortalama akış (tahliye vanası açıldığında akış tepe değerleri gerekli ve dikkate alınmamalıdır) ayarlayın ve not alınız. 8. 5 dakika bekleyiniz ve ayarlı direnç ile akımı ayarlayınız. 9. Debimetrenin iğne valfi ile bir ortalama akış (tahliye vanası açıldığında akış tepe değerleri ve dikkate alınmamalıdır) ayarlayın ve aşağıya yazınız. 10. 5 dakika bekleyiniz ve ayarlı direnç ile akımı kurunuz (yük modülü). 11. Elde edilen voltajı yazınız. 12. Ayarlı direnç ile birkaç akımı ayarlayarak işlemi tekrarlayınız. Elde edilen sonuçları yazınız. Sonuçların daha iyi bir şekilde gözlemlenmesi için, 0-7 A akım aralığının tamamını, tercihen daha fazla yükten daha az yüke (yani 0A'dan 7A'ya kadar) taranması tavsiye edilir.

Voltaj (V) Tablolar ve sonuçlar 1. Elde edilen sonuçları aşağıdaki tabloya yazınız: Nm 3 /h of H2 gas Ayarlanan akım (A) Akım Yoğunluğu (A/cm 2 ) Elde edilen volt (V) Üretilen Güç (W) 2. Polarizasyon eğrisini gösterme: Akım Yoğunluğu (A/cm 2 )