Prof. Dr. İnci EROĞLU ORTA DOĞU TEKNİK ÜNİVERSİTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Savunma Sanayiinde Borun Kullanımı Çalıştayı (SSM) 14 Haziran 2011 1
İçerik Giriş Yakıt pili bileşenlerinin üretimi Yakıt pili modülü tasarımı ve özellikleri Nerelerde kullanılabilir? Sodyum Borhidrürden hidrojen eldesiyle çalışan yakıt pili sistemi Değerlendirme
Giriş Yakıt Pili Nedir? Geleneksel Elektrik Üretim Yöntemi Kimyasal Enerji Yakıt Pillerinde Elektrik Üretimi Kimyasal Enerji (Yanma) Isı (PV formunda iş) Mekanik Enerji (Elektromanyetik endüksiyon) Elektrik enerjisi Elektrik Enerjisi (indirgenme yükseltgenme reaksiyonu)
Giriş Yakıt pili tipleri Elektriksel yük Kullanılmayan yakıt ve ürün gaz çıkışı Kullanılmayan oksidan ve ürün gaz çıkışı Yakıt girişi Oksidan girişi Barbir F. PEM Fuel Cells: Theory and Practice, Elsevier Academic Press, 2005, USA.
Giriş Yakıt pilleri nasıl çalışır?
Polarizasyon Eğrisi
Verim 1,2 1 0,67 0,61 0,8 0,54 Hücre Potansiyeli (V) 0,6 0,4 0,2 0,47 0,40 0,34 0,27 0,20 0,13 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Akım Yoğunluğu(mA/cm 2 ) 0,07
Bipolar plakaların üretimi Bipolar plaka üretiminde kullanılan CNC Router
MEA hazırlanması Bilgisayar kontrollü ultrasonik kaplama cihazı
Yakıt pili modülü (stack) tasarım temeli Voltaj Nominal elektriksel güç Parazitik kayıplar 12V 100Watt 20 W 0.6V taki akım yoğunluğu 500mA/cm 2 Hücre sayısı 20 Soğutma yöntemi Hava Çalışma Sıcaklığı 60 o C
Yakıt pili modülü tasarım stratejisi Hücre sayısının tasarım voltajı ve yakıt pilinin nominal güçteki çalışma verimine göre belirlenmesi Aktif hücre alanının seçilen nominal güçteki akım yoğunluğuna göre hesaplanması Hidrojen miktarının çekilen akımdan hesaplanması Kütle denkliğinden giren havanın ve üretilen suyun hesaplanması Enerji denkliğinden açığa çıkan ısının hesaplanması Bipolar plakanın teknik özelliklerinin seçilmesi ve basınç kaybının hesaplanması Soğutma havası hızının ısı transfer hesaplamasıyla bulunması
Yakıt pili modülünün teknik özellikleri Voltaj 12 V Tasarım gücü 120 W Akım (A) 10 A Isı üretimi 170W Modül hacmi 0.6 L Ağırlık 766 g Çalışma sıcaklığı ( o C) 60 Çalışma Basıncı (bar) 1.2 Hidrojen debisi 1.5 L/dak Hava debisi 8.9 L/dak Anot çıkışı Kapalı Katot çıkışı Açık
Yakıt pili modülü Birleştirilmesi tamamlanmış yakıt pili modülü
Sonuçlar Yakıt pili polarizasyon eğrisi
Nerelerde kullanılabilir?
100W Yakıt pili nerelerde kullanılabilir? Dizüstü Bilgisayar Ofiste Kesintisiz Güç kaynağı olarak Askeri uygulamalarda batarya yerine Kampta İnsansız Hava Araçlarında
Askeri Uygulamalar Telsiz Robot Dizüstü Bilgisayar Batarya Şarjı Haberleşme Ünitesi Sinyal Tekrarlayıcı
NaBH4 solüsyonu HİDROJEN (350bar) HİDROJEN (250bar) HİDROJEN (METAL HİDRÜRDE) METANOL 0190001900r1l 0190001900r1l 1190001900r1l 1190001900r1l 1190001900r1l 2190001900r1l 11900241900r1l 0190001900r1l 0190001900r1l 4190001900r1l BATARYA 7190001900r1l 0190001900r1l 1190001900r1l 2190001900r1l 3190001900r1l 4190001900r1l 5190001900r1l 6190001900r1l 7190001900r1l 8190001900r1l Ağırlık (kg) Hacim (L) 1.5 kw-saat depolanan enerjinin değişik depolama yöntemleri ile karşılaştırılması 20W gücünde 75 saat çalışma
Sodyum borhidrür (NaBH 4 ) reaktöründen elde edilen hidrojenle çalışan PEM yakıt pili sistemi
Çalışma süresi (saat) NaBH 4 tüketimi (gr) Su tüketimi (gr) Net su üretimi (gr) 1 35 33 33 2 70 66 65 3 105 99 98 4 140 132 130 5 175 165 163 6 210 198 195
DBFC ile B-PEMFC karşılaştırılması Teorik enerji yoğunluğu B- PEMFC den yüksektir. Şu an için ulaşılabilen güç yoğunluğu ~290mW/cm 2 Anottan katota NaBH 4 kaçağı (crossover) fazla Anottaki istenmeyen H2 üretimi yakıt ekonomisini olumsuz etkiliyor. Yakıt kullanım oranı <%50 B-PEMFC sistemine göre daha basit bir sisteme sahiptir. Örneğin, nemlendirici ve yakıt dönüştürücü ihtiyacı yoktur. Gerçek uygulamalarda ulaşılan enerji yoğunluğu yüksektir. Şu an için ulaşılabilen güç yoğunluğu ~600 mw/cm2 H 2 için crossover problemi yok Benzer bir problem yoktur. Yakıt kullanım oranı >%80 DBFC sistemine göre daha karmaşık bir sisteme sahiptir. Örneğin, nemlendirici ve yakıt dönüştürücü ihtiyacı vardır.
Değerlendirme 100w gücünde bir yakıt pili modülü tasarlanmıştır. Tasarlanan yakıt pili modülü için kütle, enerji denkliği ve soğutma amaçlı ısı transferi hesaplamaları yapılmıştır. Tasarımı yapılan yakıt pili modülü tüm bileşenleri ile üretilmiştir. Üretilen yakıt pili modülü ODTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü Yakıt Pili Teknolojisi Laboratuvarı nda kurulu yakıt pili test sisteminde test edilmiştir. Sodyum borhidrürden hidrojen üreten özgün bir reaktör geliştirilmiştir. Reaktör ve yakıt pilinin senkronize çalışması için kontrol sistemi kurulmuştur. Bu sistem değişik uygulamalarda denenmelidir.
DPT-YUUP (BAP-08-11-DPT.2005K120600) TÜBİTAK 104M364 BOREN 2009.Ç0219 Bu projede görev alan araştırmacılar: Yürütücü: Prof. Dr. İnci Eroğlu (ODTÜ Kimya Müh. Böl.) Araştırmacılar: Serdar Erkan (Doktora öğrencisi) Aslı Boran (Yüksek lisans öğrencisi) Prof. Dr. Saim Özkar (ODTÜ Kimya Böl.) Salim Çalışkan (Doktora öğrencisi)