No: 4010631003

Ad-Soyad: Muhammet ÇELİK

Ekserji ve Entropi Analizi VİZE

BİR PEM YAKIT PİLİ GÜÇ SİSTEMİNİN EKSERJİ ANALİZİ

Bu çalışmada ulaşım uygulamaları için kullanılan bir PEM yakıt pili güç sisteminin termodinamik modeli tanımlanacaktır. Hüseyin ve ark.(2005)’nın kapsamlı bir çalışması temel alınarak sistemin tüm bileşenlerinin çalışması ve çeşitli çalışma şartları (örn; sıcaklık, basınç ve hava sitokiyometrisi)’nın sistemin enerji ve ekserji verimliliğine olan etkileri dikkate alınarak bir performans analizi yapılmıştır. Ayrıca, her sistem bileşeni için termodinamik tersinmezlikler tanımlanmıştır.

Sistemin Tanımı

Şekil 1’de Ballard (2004)’ten alınmış bir düşük ağırlıklı araçlar için bir PEM yakıt hücresi güç sistemi gösterilmiştir. Sistem iki önemli parça içerir: PEM yakıt hücresi yığını ve sistem modülü. Ayrıca bir soğutma pompası konulmuştur. Sistem modülü hava kompresörü, ısı eşanjörü, nemlendiriciler ve soğutma döngüsü içerir.

PEM yakıt hücresi yığını güç sisteminin kalbidir. Burada sistem modülünden basınçlandırılmış, nemlendirilmiş hava ve hidrojen sağlanır, ve Şekil 1’de hidrojen ve oksijenin elektrokimyasal reaksiyonu ile elektriksel güç üretilir. Soğutma döngüsü ile yığın modülünden üretilen atık ısı uzaklaştırılır.

Şekil 1. Yakıt hücresi güç sisteminin şematik gösterimi.

Sistem modülündeki hava kompresörü yığına basınçlandırılmış oksijen sağlar. Basınçlandırılmış hava yığına girmeden önce ısı eşanjörü içerisinde soğutulur ve nemlendirici içerisinde nemlendirilir. Benzer olarak sıkıştırılmış hidrojen yığına girmeden önce nemlendirici içerisinde nemlendirilir. Giriş akışlarının nemlendirilmesi yakıt hücresi yığını içerisindeki membranın dehidrasyon olayı için gereklidir.

Soğutma döngüsü hidrojen ve oksijenin egzotermik reaksiyonu tarafından üretilen ısıyı uzaklaştırır ve bir radyatör, bir soğutma pompası ve bir radyatör fandan oluşur. Soğutucu (su/glikol) atık ısıyı uzaklaştırmak için yığın boyunca geçiş yapar.

PEM Yakıt Hücresi Performans Modeli

PEM yakıt hücresi performans modeli Baschuk ve Li (2003) tarafından bir yakıt hücresini simule etmek için geliştirilmiştir. Bu model, bir tek hücrenin voltajının herhangi bir özgül çalışma şartında ne olacağını bildirir. Tüm yığının voltajı, tek hücre potansiyeli ile yığın içerisindeki hücre sayısının çarpılması ile elde edilir. Yakıt hücresinin çıkış voltajı şu şekilde yazılabilir:

E(I)=Er-Eirr

Burada Er tersinir hücre voltajını ve Eirr tersinmez voltaj kaybını ya da bipolar plakalar ve elektrod sırtı içerisinde elektron geçişi, ve polimer elektrolit membran içerisinde proton geçişinden dolayı katalizör tabakalarının aşırıpotansiyelini ifade eder.

Tersinir Hücre Voltajı (Er)

Tersinir hücre voltajı, tersinir bir termodinamik şartlarda hücre potansiyelinden elde edilir ve şu şekilde gösterilebilir:

]

Tersinmez hücre voltaj kaybı veya aşırı potansiyel (Eirr)

Tersinmez hücre voltajı kaybı veya katalizör tabakalardan dolayı aktivasyon aşırı potansiyeli (ηcon), bipolar tabakalarda ve elektrod sırtında olan elektron göçü ve polimer elektrolit membran içerisinde olan proton göçü nedeniyle (ηomik), ve yüksek akım yoğunluklarında olan kütle transfer sınırlamaları nedeniyle olan konsantrasyon aşırı potansiyeli (ηcon) ile tanımlanır. Buda;

Eirr= ηact+ ηohmic+ ηcon

ile gösterilir.

Aktivasyon Aşırı Potansiyeli (ηact)

Aktivasyon aşırı potansiyeli, katalizör tabakaları ile birleştirilmiştir. Bu elektrokimyasal kinetikler ve elektron ve proton göçü hesabını içerir ve anot ve katot katalizör tabakalarının aktivasyon aşırı potansiyelleri ile düzenlenmiştir.

ηact = ηacta + ηact

c

ηacta ve ηact

c sırasıyla, anot ve katot katalizör tabakalarının aktivasyon aşırı potansiyelleridir.

Omik Aşırı Potansiyel (ηohmic)

Omik aşırı potansiyel şu şekilde gösterilir:

ηohmic = ηbpa + ηbp

c + ηea + ηe

c + ηm

Buradaki ηbpa ve ηbp

c sırasıyla anot ve katot bipolar plakaların omik kayıplarıdır. Anot ve katot elektrod sırt tabakalarının omik kayıpları ηe

a ve ηec ile gösterilmiştir. Polimer elektrolit

membranın aşırı potansiyeli ηm ile gösterilmiştir.

Konsantrasyon Aşırı Potansiyeli (ηcon)

Konsantrasyon aşırı potansiyeli yüksek akım yoğunluklarındaki kütle transfer sınırlamaları ile birleşir ve anot ve katot konsantrasyon aşırı potansiyelleri ile tanımlanır:

ηcon = ηcona + ηcon

c

Buradaki ηcona ve ηcon

c sırasıyla anot ve katot konsantrasyon aşırı potansiyelleridir.

Yığın Gücü (Ŵstack)

Tek bir hücre tarafından üretilen güç şu şekilde gösterilir:

Wstack=E(I) x I x Acell

Buradaki I akım yoğunluğu ve Acell hücrenin geometrik alanıdır.

Yığın gücü tekil hücre gücü ile yığın içerisindeki yakıt hücrelerinin çarpılması ile elde edilir:

Wstack= nfc x Wcell

Burada düşünülen güç sistemi 97 hücre ve 900 cm2 geometrik alana sahip ve net sistem gücü I=1.15 A/cm2 ve E=0.78 V’da 68 kW güç üretmektedir.

ANALİZ

Kabuller

Bu analizde aşağıdaki kabuller uygulanmıştır:

-hidrojen depolama silindiri veya tankı 10 bar sabit basınç ve 298 K sıcaklıktadır.

-kompresörün, soğutma pompası ve radyatör fanın izantropik verimleri %70’tir.

- yakıt pili yığını tarafından üretilen toplam ısının %20’si konveksiyon ve radyasyondan dolayı kaybolmaktadır.

- soğutucu çevrim pompasının giriş ve çıkış sıcaklıkları eşittir.

- çevre koşulları standart sıcaklık ve başınç şartlarındadır. (298 K ve 1 atm)

-nemli atmosferik hava ve bileşimi ölü hal için kullanılan tablolardan alınmıştır.

-kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilecek derecede düşüktür.

-sistem ve bileşenleri zamandan bağımsız olarak alınmıştır ve bu nedenle zamanın türevleri sıfırdır.

Bileşen, i N2 O2 H2O CO2 Ar

Mol kesiri, x00,i 0.775 0.206 0.018 0.0003 0.0007

Özgül kimyasal ekserji, exch,i (J/mol) 631.51 3914.26 9953.35 20108.5 17998.14

Tablo 1. Ölü durumdaki bileşenlerin mol kesirleri ve kimyasal ekserjileri

Yakıt hücresi güç sistemi tarafından üretilen net güç, toplam yığın gücünden parazitik yüklerin düşülmesi ile bulunur.

Wnet = Wstack – Wac – Wcp - Wrf

Burada Wstack yığın gücünü belirtir ve Wac, Wcp ve Wrf sırasıyla hava kompresörü, soğutma pompası ve radyatör fanı içerisindeki güç girişini belirtir.

Sistemin ana termodinamik denklemleri, ve bunun bireysel bileşenlerinin karşılıklı ekserji dengeleri ile elde edilir. Sistemin ve bileşenlerinin ekserji dengeleri ve enerji ve ekserji verimleri aşağıda belirtilmiştir.

Tüm Sistem

Tüm sistem için bir ekserji dengesi şu şekilde yazılır:

Buradaki 1, 2, 14 ve 18 indisleri şekil 1’de gösterilen durumlardır. Ayrıca Qstack ve Qradiator

yığın tarafından oluşturulan ve radyatör tarafından çevreye atılan ısı oranlarıdır ve I system

ekserji yıkım oranıdır.

Sistemin enerji ve ekserji verimlilikleri şu şekilde tanımlanır:

No: 4010631003

Ad-Soyad : Muhammet ÇELİK

Ekserji ve Entropi Analizi FİNAL

Sistem bileşenleri

Sistem bileşenlerinin analizleri performanslarını belirlemek ve tüm sisteme katkılarını belirlemek için gerçekleştirilir.

Sonuçlar ve Tartışma

Önceki bölümde verilen analiz, Baschuk ve Li (2003)’nin yakıt hücresi performans modeli ile entegredir ve çeşitli sıcaklıklar, basınçlar ve yakıt-hava sitokiyometrilerinde yakıt hücresi yığını sistemi için uygulanmıştır. Temel çalışma şartları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

T (oC) 80

P (atm) 3

Yakıt Stokiyometrisi, Sfuel 1.1

Hava Stokiyometrisi, Sair 2.0

Tablo 2. Çalışma şartları

Tüm sistem

Net sistemin ve akım yoğunluklu atık yığın gücünün değişimleri temel çalışma şartları şekil 2’de verilmiştir. 1.15 A/cm2 akım yoğunluğunda, sistem tarafından üretilen net güç yaklaşık olarak 68 kW’tır. Atık yığın gücü ve net sistem gücü arasındaki farkın akım yoğunluğunun artmasıyla arttığı gözlemlenir. Bu olgu iç yüklerin artmasıyla parazitik yüklerin artmasından kaynaklanır.

Sistem enerjisi ve akım yoğunluğuyla ekserji verimliliklerinin değişimleri, temel çalışma şartlarında, şekil 3’te gösterilmiştir. Maksimum sistem enerjisi ve ekserji verimleri 0.42 A/cm2 akım yoğunluğunda sırasıyla %42.3 ve %49.6’dır. 0.78V tipik hücre voltajı ve 1.15 A/cm2 akım yoğunluğunda sırasıyla %37.7 ve %44.2 olarak bulunmuştur. Sistem enerjisi ve hücre voltajının ikiside düşük akım yoğunluklarında akım yoğunluğu ile artar. Maksimuma ulaştıktan sonra bu parametreler akım yoğunluğu ie azalır. Düşük akım yoğunluklarında, yığında tüketilen yakıtın molar akış oranı ve yardımcı aygıtlar için gereken güç düşüktür. Enerji ve ekserji verimlerinin ikisi de 0.42 A/cm2 akım yoğunluğunda zirveye ulaşır. Bu verimler bu değerin ötesinde parazitik yükleme ve yakıtın molar tüketimi nedeniyle akım yoğunluğunun artmasıyla azalır. Ekserji verimleri, hidrojenin Şekil 1’de verilen 1 ve 9 durumlarında düşük ekserji değerlerinden dolayı ilgili enerji verimlerinden daha yüksektir.

Şekil 2. Temel çalışma şartlarında akım yoğunluğu ile güç çıkışı değişimi.

Şekil 3. Temel çalışma şartlarında akım yoğunluğu ile sistem verimlerinin değişimi.

Şekil 4 ve şekil 5, sistemdeki yakıt hücresi yığının farklı çalışma sıcaklıklarında enerji ve ekserji verimlerini göstermektedir. Hussain ve ark(2005)’nın önerdiği gibi çalışma basıncı 3 atm ve hava ile yakıt stokiyometrileri 1.1 ve 2.0’da sabit tutulur.

Şekil 4. Yakıt hücresi yığınının farklı çalışma sıcaklıklarında akım yoğunluğu ile sistem enerji veriminin değişimi.

Şekil 5. Yakıt hücresi yığınının farklı çalışma sıcaklıklarında akım yoğunluğu ile sistem ekserji veriminin değişimi.

Şekil 6 ve şekil 7’değişik çalışma yığın basınçlarında akım yoğunluğu ile enerji ve ekserji verimlerinin değişimini göstermektedir. Çalışma sıcaklığı 80oC ve hava ile yakıt sitokiyometrileri 1.1 ve 2.0’dır. Basıncın artması ile, sistemin enerji ve ekserji verimlerinin ikiside artmaktadır. Bunun nedeni tersinmez kayıpların azalması tarafından atık yığın gücünün belirgin bir şekilde artmasıdır, özellikle bunlar basıncın artmasıyla, anot ve katot aşırı potansiyelleri ile ilgilidir. Basınç azaldığında, reaksiyondaki reaktantların konsantrasyonları artar ve anot ve katot aşırı potansiyellerinin içindeki tersinmez kayıplar azalır.

Şekil 6. Yakıt hücresi yığınının farklı çalışma basınçlarında akım yoğunluğu ile sistem enerji veriminin değişimi.

Şekil 7. Yakıt hücresi yığınının farklı çalışma basınçlarında akım yoğunluğu ile sistem ekserji veriminin değişimi.

Değişik hava sitokiyometrilerindeki akım yoğunluğu ile sistemin enerji ve ekserji verimlerinin değişimleri şekil 8 ve şekil 9’da gösterilmiştir. Çalışma sıcaklığı ve basıncı 80oC ve 3 atm’dir ve yakıt sitokiyometrisi 1.1’dedir. Havanın stokiyometrisinin artması ile enerji ve ekserji verimlerinde neredeyse takdire değer bir artış gözlenmez. Havanın molar akış oranı hava stokiyometrisi ile artar ve katod aşırı potansiyelinin düşmesi ve yığındaki atık güç üretiminin düşmesinin bir sonucudur. Atık yığın gücünün artmasına rağmen net sistem gücü artışı belirgin değildir. Örneğin, hava stokiyometrisi 3.0’dan 4.0’a arttığında sistem arafından üretilen net güç neredeyse hiç artmaz. Bu olgu tekrardan hava stokiyometrisi ile atık yığın gücünün artması nedeniyle parazitik yükün artması nedeniyle olur.

Sistem Bileşenleri

Şekil 10 belirli bir çalışma şartında sistemin ekserji akış diyagramını gösterir. İçerisindeki her bileşenin değeri ekserji yıkımı (ya da tersinmezlik) oranını gösterir. Sistemin enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %37.7 ve %44.2’dir. En büyük tersinmezlik oranı yakıt hücresi yığının içerisinde bulunmuştur. Diğer büyük tersinmezlik oranları yakıt nemlendiricisi içerisinde gerçekleşir. Sistem performansını artırmak için en büyük potansiyel, yakıt hücresi yığını içerisindeki tersinmezlik oranının azaltılmasını gerektirir. Bazı örneklerde, bazı ölçümler maliyetleri azaltır ve böylece taşıma uygulamalarındaki yakıt gücresi güç sistemlerinin ticarileşmesine yardımcı olur.

Şekil 8. Yakıt hücresi yığınının farklı hava stokiyometrilerinde akım yoğunluğu ile sistem enerji veriminin değişimi.

Şekil 9. Yakıt hücresi yığınının farklı hava stokiyometrilerinde akım yoğunluğu ile sistem ekserji veriminin değişimi.

Burada çeşitli çalışma şartlarının değişmesiyle hafif ağırlıklı araçlar için PEM yakıt hücresi güç sisteminin enerji ve ekserji verimlerinin analizleri yapılmıştır. En büyük ekserji tüketim oranı yakıt hücresi yığınında gerçekleşir böylece bu ekserji yıkım oranının azaltılmasıyla sistem verimlerinde belirgin bir artış olur. Çıkış yükünün (akım yoğunluğu) artmasıyla, atık yığın gücü ve net sistem gücü arasındaki fark parazitik yüklerin artmasının bir sonucu olarak artar. Sistemin enerji ve ekserji verimleri, yığın çalışma sıcaklığının artması ile artar.

Şekil 10. temel çalışma şartlarında (I=0.938 A/cm2 ve V=0.466V) ekserji akış diyagramı. Bileşenlerdeki değerler bunların ekserji yıkım oranlarını gösterir. Tüm birimler kW cinsindedir.