Yakıtlar ve Yanma

8.Hafta

Doğal Gazın Sıvılaştırılması (LNG)Sıvılaştırma işleminde iki yöntem uygulanır;Genleşmeli çevrim prosesi Mekanik soğutma çevrimi prosesi (en çok kullanılan yöntem)

Mekanik Soğutma Çevrimi Prosesi (Cascade Prosesi)

Üç ayrı sıvı soğutucu kaskat bir çevrim içinde bulunur;

•Propan

•Etilen

•Metan;

Bu sıvılar buharlaşırken gereken ısıyı, sıvılaştırılacak doğal gazdan alırlar. Soğutucu gazlar tekrar sıkıştırılır, soğutulur ve sıvı soğutucular olarak çevrime geri alınırlar.

Doğal Gazın Depolanması

Doğal gaz depolaması iki genel grup altında toplanabilir;

•Gaz halinde depolama,

•Sıvılaştırılmış halde depolama.

Gaz Halinde Depolama: Doğal gaz genellikle doğal yeraltı rezervuarlarında depolanır. Yeraltı depolamasına uygun olan oluşumlar önce depo olarak kullanılmak üzere şartlandırılır. Sonra doğal gaz enjekte edilir ve fazla gaz alması için basınçlandırılır. Bu durumda yer altı oluşumu basınçlı bir depo tankı haline gelir.

Sıvılaştırılmış Halde (LNG) Depolama: LNG daha az yer kaplaması nedeniyle gerek depolamada ve gerekse taşımada tercih edilir.LNG yerüstü veya yeraltına gömülü değişik kapasitedeki büyük tanklarda depolanır.

1. Çatı Astarı

2. Asma Çubuklar

3. Beton Çatı

4. Yan Duvarlar

5. Taban Plakası

6. Destekler

7. Çatı Yalıtımı

8. Asma Tavan

9. İç Kabuk

10. Yan Duvar Yalıtımı

11. Yan Yüzey Astarı

12. İkincil Bariyer13

Doğal Gazın İçten Yanmalı Motorlarda Kullanımı

CNG (Compressed Natrural Gas): Minimum 2 bar maksimum 20 bar basınçta doğal gaz şebekesinden gelen gazın CNG kompresörü ile 200 bar basınca sıkıştırılarak çelik tüplerde depolanması. Avantajları:•Benzin ve motorine göre ucuzdur. Bu sebeple özellikle benzinin yakıt ekonomisini karşılar veya geçer.

•Artık bırakmadan yanar. Bu sebeple benzinli motorlarda buji değişim aralıkları uzun olur.

•Gaz fazında olduğu için yağlama yağına karışmaz bu sebeple daha uzun periyotlarla (benzine ve motorine göre 2 katı) yağ ve yağ filtresi değiştirilir.

•Silindir cidarlarında C birikimine sebep olmaz.

•Egzoz sistemi uzun ömürlü olur.

•Güvenli bir yakıttır. Herhangi bir kaza anında havadan hafif olduğu için çabukça dağılır. Benzin ve diesel yakıtından farklı olarak havada sadece sınırlı konsantrasyon aralığında (%5 – %10) yanabilir.

•En az kirletici emisyon yayan yakıttır. (sera gazı açısından)

Dezavantajları:•Dolum istasyonları yaygın değildir ve kurulması pahalıdır.

•Büyük hacimli yakıt tüpleri fazla yer kaplar ve bagaj hacmini küçültür.

•Taşınması sıvı HC yakıtlara göre daha zor ve pahalıdır. Çünkü yüksek basınç , düşük sıcaklık, kompressörler, soğutucular ve ağır kaplar gerektirir.

• Metanın (CH4) sera etkisi CO2’e göre 20 kat daha kötüdür.

•Taşıtlardaki dönüşüm maliyetleri özellikle diesel motorlarında daha yüksektir.

•Motor performansında düşüşe neden olur.

•Gerek depolama gerekse düşük enerji yoğunluğundan dolayı benzin ve motorin ile aynı depolama hacmine sahip doğal gaz kullanılan taşıtların kat edebilecekleri menzil daha azdır.

Benzinli Motorlarda Kullanılan CNG Sistemleri

CNG Karbürasyon Sistemi (Karbüratörlü Motorlarda)

Elektronik Kontrollü CNG Sistemleri (Tek Noktadan Enjeksiyon)

CNG Püskürtme Sistemleri (Çok Noktadan Enjeksiyon)

CNG Karbürasyon Sistemi

Bu mekanik sistemler;•Elektromagnetik CNG açma-kapama valfi, •Basınç regülatörü,•Karışım ünitesinden meydana gelir.

Bir çift yakıtlı taşıta bu sistem kullanıldığında benzin hattına ayrıca bir elektromanyetikaçma-kapama valfi de yerleştirilir.

CNG ile çalışma durumunda bu valf kapalı, benzinle çalışma durumunda ise açıktır. Basınç regülatörü motor suyu ile ısıtılır. Bu ısıtma işlemi, CNG’nin genleşmesi sıcaklıkta büyük bir düşüşe sebep olacağından dolayı, regülatörün donmasını önlemiş olur.

Regülatörden gelen CNG, karışım ünitesinde hava ile karışır.

Karışım ünitesi karbüratörün altında veya üstünde bir yere yerleştirilebilir. Buradan kuru gaz/hava karışımı olarak motor içine emilir.

Elektronik Kontrollü CNG Sistemleri

Bu sistemlerde gaz akısının ana ayarı hala daha basınç regülatörü ve karışım ünitesi tarafından gerçekleştirilmektedir. Bununla birlikte analog veya dijital olarak kontroller yapılmaktadır. Bu Sistem Emme manifolduna püskürtme yapar ve lambda sensörü ile 3 yollu katalitikkonvertör içeren taşıtlarda kullanılır.

Bu sistem bir standart basınç regülatörü ve karışım ünitesi ile birlikte çalışır.

Mikroişlemciye giriş sinyalleri, motor devri, manifold basıncı ve lambda sensöründengelen sinyallerdir.

Mikroişlemci bir dijital lineer actuatoru (DLA) kontrol eder. Bu actuator (stepmotor) basınç regülatörü ile karışım ünitesi arasında kuru gaz hortumu içerisine yerleştirilen değişken memeyi ayarlar.

CNG Püskürtme SistemleriÇok noktalı CNG sistemleri doğal gazı sıvı veya gaz fazda emme kanalına (emme supapı üzerine doğru) veya yüksek basınçta doğrudan silindire püskürtebilirler.

CNG’nin gaz fazında püskürtüldüğü çok noktalı elektronik püskürtme sisteminde, tek noktadan püskürtmede karşılaşılan geri tepme (karışımın emme manifoldunda yanması) olayına rastlanmaz.

Bu sistemde tanktan gelen CNG bir iki kademeli basınç regülatöründen geçirilir. Buradaaşırı basınç doğrultularak kontrol edilir. Bir gaz ayarlama ünitesi ile eşit miktarda yakıtınsilindirlere gönderilmesi sağlanır.

Daha sonra CNG, her silindirin emme supabının üstüne doğru bir enjektörden püskürtülür.

Benzinle mükemmel bir şekilde motor çalıştırılır ve daha sonra bir seçici anahtar yoluyla ikinci yakıt tipine geçilir.

CNG püskürtme sistemi mikroişlemci kontrollü olup kendi kendine öğrenmesistemine sahip ve ayar gerektirmeyen tiptendir. Mikroişlemci özellikle manifold emme basıncı ve motor devir sinyaline göre hareket eder. Ayrıca diğer parametreler de gaz kelebeği pozisyonu, lambda sensör, giriş havası su ve yakıt sıcaklıkları da kullanılır. Mikroişlemci gaz ölçme birimi üzerine monte edilen dijital lineer ayarlayıcı kontrol eder. Dijital lineer ayarlayıcı püskürtülen yakıtın gerçek miktarını ayarlar.

Diesel Motorlarında Doğal Gaz Kullanımıİki şekilde kullanılır;Motor Modifikasyonu: Diesel motoru benzinli motor çalışma biçimine dönüştürülür. Bir ateşle sistemi yerleştirilir ve sıkıştırma oranı düşürülür. Pahalı bir yöntemdir. B u sebeple tercih edilmez. Çift Yakıt Uygulaması: Doğal gaz emme havasına karıştırılarak silindire gönderilmekte, sıkıştırma sürecinin sonunda silindire püskürtülen pilot diesel yakıtıyla tutuşma sağlanmaktadır. Bu tip motorlarda motor hem çift yakıtla çalıştırılabilirken hem de istenildiğinde sadece diesel yakıtı ile de çalıştırılabilmektedir. Çift yakıt uygulamasında doğal gazın emme havasına karıştırılarak kullanılmasının yanı sıra çift yakıt enjektörleri ile direkt olarak silindir içine püskürtülerek kullanılması da mümkündür.

Doğal Gaz Kullanımının Egzoz Emisyonlarına Etkisi

Doğal gaz motorlarında kirletici emisyonları azaltabilmek için iki farklı prensip düşünülmüştür.1.Fakir Karışımlı Doğal Gaz Motor2.Stokiometrik Karışımlı Doğal Gaz Motoru

1. Fakir Karışımlı Doğal Gaz Motoru: Hava fazlalık katsayısı 1.5 – 1.6’ya kadar çıkabilmektedir. Bu durumda NOx’lerde büyük oranda azalmalar olur. Ancak fakir karışımda motor gücü azalır. Fakir karışımlı motorlarda ön yanma odaları kullanılarak alevin yanma odası içerisindeki yolu kısaltılabilir ve böylelikle yanma hızı normal değerine kadar yükselir. Fakir karışımların güç düşürücü etkisini azaltmanın bir başka yöntemi de aşırı doldurmadır. Sonuç olarak motorun güç ve verimi artar.

2. Stokiometrik Karışımlı Doğal Gaz Motoru: Bu durumda maksimum güç elde edilebilmektedir. Ancak bu karışım oranında NOx emisyonu maksimum değerdedir. Egzoz gazı resirkülasyonu (EGR) veya üç yollu katalizör kullanılarak egzoz emisyonu değerleri düşürülmektedir.

Fakir karışımlı yüksek yanma hızlı motorlarda; stokiometrik karışım oranlı motorlara göre yakıt tüketimi %15-20 daha azdır.

Doğal gaz taşıtlarda kullanıldığında, partikül emisyonlarında geleneksel diesel yakıtlımotorlara oranla %65-90 azalma sağlamaktadır.

Doğalgazın ağır vasıtalarda kullanımı, diesel motorların iyi bilinen problemlerinden biri olan NOx'lerde %67’ye kadar azalma sağlamaktadır.

Alternatif Bir Enerji Kaynağı : Hidrojen (H2)Doğada 3 izotopu vardır:

Protium : +1 değerli bir çekirdek ve 1 elektrondan oluşur, atom ağırlığı 1.008’dir. Deuterium : 1 proton ve 1 nötron’dan oluşur.Tritium : 1 proton ve 2 nötron’dan oluşur. Doğal olarak bulunmaz yapay olarak

üretilir.

Fiziksel Özellikleri:•Renksiz ve kokusuz bir gazdır.

•Molekül ağırlığı 2.016 olup en hafif elementtir.

•Yoğunluğu havadan 14 kat azdır (Normal şartlar altında 0.08376 kg/m3).

•20.3 K ve bir atmosfer basınç altında sıvı hale geçmektedir.

•Bir çok yakıttan daha yüksek enerjiye sahip bir moleküldür. Hidrojenin enerji kapasitesi141.9 MJ/kg olup benzinin yaklaşık 3 katına eşittir.

•Kendi kendi kendine yanma sıcaklığı 585oC

•Hava içerisinde hacimsel %4-%75 oranlarında bulunması halinde yanar. Stokiometrik oran ise %29,53’dür.

Hidrojen Üretimi

Dünyada Hidrojen Üretimi

Doğal Gaz : %48 (%48’in %90’dan fazlası CH4’dan)Rafineri Ürünleri : %30Kömür : %18Suyun Elektrolizi : %4

Üretim metotları hammaddeye, elde edilmek istenen hidrojen miktarına ve saflık derecesine göre değişir. Yeni geliştirilmekte olan yöntemler de dikkate alındığında hidrojen üretim teknolojileri üç grup altında toplanabilir:•Fosil Hammaddelerden:

Kömürün GazlaştırılmasıBuhar Reformingi (Doğal gaz, LPG, Benzin v.b.)Ototermal ReformingTermal Disosiasyon

•Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından:Suyun ElektroliziFotoelektrolizSuyun Termal ParçalanmasıBiyokütle Gazlaştırması.

•Atık Gaz Akımlarından Hidrojen Kazanma:Rafineriler (buhar veya metanol reforming fabrikaları proses gazı v.b.)Kimyasal madde fabrikaları (amonyak veya metanol sentezi v.b.)

Fosil Hammaddelerden Hidrojen ÜretimiKömürün Gazlaştırılması (Koppers-Totzek Prosesi)

Toz haldeki kömür buharla 900 0C ye ısıtılır, kül haline getirilir ve kükürtün ayrışması sağlanır. Oluşan ürün basınç altında su ile saflaştırılarak gaz hale dönüştürülür, sonra buharla ve oksijenle karıştırılır ve genellikle nikel bazlı bir katalizörden geçirilerek karbonmonoksit ve hidrojenin ayrıştırılması sağlanır. Bu işlemde verimlilik %97’dir. Ancak yüksek sıcaklıklar gerektirmesi ve kirlilikler yaratması nedenlerinden fazla tercih edilmez.

2C + O2 + H2O → H2

+ CO2+ CO

1.Doğal Gaz (Metan) Buhar Reformingi

Su buharıyla yapılan endotermik ve çok uygulanan bir reforming prosesidir. Ancak reaksiyonun endotermik olması dışarıdan ısı verilmesini gerektirdiğinden oldukça komplekstir.

Üç basamakta gerçekleşir:•Gaz sentezlenmesi•Su gaz değişimi•Gaz saflaştırmasıdır.

Bu yöntem sırasında sıcaklık 700-925°C ye kadar çıkmaktadır. Yöntemin verimliliği %65-75’dir.

Buhar Reformingi

Metan reforming reaksiyonu: CH4

(gaz) + H2O → 3H2 + CO - 206 kJ/mol (I. basamak)

CO + H2O → H2 + CO2 (II. basamak)

İkinci basamaktan çıkan gaz akımı saflaştırma ünitesine verilerek kalan karbon monoksit, karbon dioksit, metan, nitrojen, v.s. uzaklaştırılır ve ~%99.9995 saflıkta hidrojen elde edilir. (III. basamak)2. LPG Buhar Reformingi

LPG’nin buhar reformingi doğal gazın (metan) reformingi ile hemen hemen aynıdır.

C3H8 + 3H2O → 3CO + 7H2

3CO + 3H2O → 3CO2 + 3H2

Toplam reaksiyon; C3H8

+6H2O → 3CO2 + 10H2

LPG ~ 380 0C ye ısıtılır, kobalt molibden katalizör ve çinko oksit yataktan geçirilerek kükürtten arındırılır.Buradan çıkan gaz akımı buharla karıştırılıp 480 0C de ön ısıtma yapıldıktan sonra nikel katalizörlü bir reformere verilir ve karbon monoksit ile hidrojene dönüştürülür. Bu gazlar reaktörden çıktıktan sonra 800 0C’tan ~350 0C’ye soğutulur, demir katalizörlü ikinci bir reaktöre gönderilirek CO ve buhar, hidrojen ve CO2’ e dönüştürülür.Kalan CO ve diğer gazlar bir saflaştırma ünitesinden geçirilir ve %99.9995 saflıkta H2

elde edilir.

3. Benzin Buhar Reformingi

Benzin reformingi yakıt pilleriyle çalışan araçlar için önemlidir. Benzin, yakıt istasyonlarında da reforme edilebilir ve elde edilen hidrojen sıkıştırılarak araç depolarına verilir. Benzin reformerleri henüz ticari boyutlarda değildir.

Oktan molekülünün benzini temsil ettiği varsayıldığında, reaksiyonlar şöyledir:

C8H18 +8H2O → 8CO + 17H2

8CO + 8H2O → 8CO2 + 8H2

Toplam reaksiyon C8H18

+16H2O → 8CO2 + 25H2

Ototermal Reforming (ATR)

Ototermal reforming kısmi oksidasyon ve buhar reformingini birleştirilmiş halidir.Kısmi oksidasyon, hidrokarbonların gerekenden az oksijenli ortamda yakılmasıdır.Ototermal terimi, endotermik buhar reformingi ile ekzotermik kısmi oksidasyon reaksiyonları arasındaki ısı alış verişini tanımlar.Hidrokarbonlar bir termo reaktörde katalizör ve oksijen+buharla reaksiyona sokulur.

Yanma bölgesiCH4

+ O2 → CO + 2H2

CH4 + 2O2 → CO2

+ 2H2O

Reforming bölgesiCH4

+ 2H2O → CO + 3H2 CH4

+ CO2 → 2CO + 2H2

Thermal Disosiasyon

Hidrokarbon bileşikleri oksijensiz ortamda ve çok yüksek sıcaklıklarda (~2000 0C) ısıtılarak parçalanır, hidrojen ve karbon elde edilir. Bu tip proseslerin en avantajlı tarafı sera gazları emisyonunun olmamasıdır. Hidrokarbon metan ise reaksiyon aşağıdaki şekilde gerçekleşir.

CH4 → C + 2H2

1 mol → 2 mol

Bu amaçla geliştirilmiş reformeler plazma reformeri diye adlandırılır.

Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Hidrojen Eldesi

Yeryüzünün %70’den fazla kısmı suyla kaplıdır ve suyun %11.2 si hidrojendir; dolayısıyla su çok bol bulunan bir hidrojen üretim kaynağıdır.

Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasının avantajı havadaki oksijenle birleşerek yandığında su meydana gelmesidir. Bunun anlamı hidrojenin tamamen “yenilenebilir” olmasıdır, yani sudan hidrojen alırken yanma sonucunda tekrar su meydana gelir ve doğa iade edilir.

Suyun Elektrolizi

Elektrolizde anot ve katot arasında oluşan elektron akımı ile hidrojen oluşturulur. Su içine NaCl, KOH, NaOH katılarak elektrik iletimi artırılır. Elektroliz için min 1.75-2.05V gerilim yeterlidir.

İşlem basamakları :Katot reaksiyonu

2H2O (l) + 2 e- → H2 (g) + 2OH¯ (aq)Anot reaksiyonu

2OH¯ (aq) → 1/2 O2 (g) + H2O (l)Toplam reaksiyon

H2O (l) → H2 (g) + O2 (g)Elektrolizler genellikle kullanılan elektrolite göre sınıflandırılır. Çok bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir elektroliz sistemi %25’lik potasyum hidroksit çözeltisi olan alkali elektrolizerlerdir.

FotoelektrolizGüneş ışığından önce elektrik, sonra da bu elektriği kullanarak sudan hidrojen ve oksijen elde edilmesi işlemleri tek bir proseste birleştirilmiştir. Bu amaçla geliştirilen sistemlerde fotovoltaik piller bir katalizörle birleştirilerek elektroliz cihazı gibi çalışmaları sağlanır. Silikon bazlı pillerle yapılan çalışmalarda normal güneş ışığından ~%8 kadar verim alınmıştır.

Suyun Thermal ParçalanmasıMerkezi bir kolektörle sağlanan bir termal güneş gücü fabrikasında sıcaklık 3000 oC ye kadar çıkar. Oysa su 2000 oC nin üstünde ısıtıldığında hidrojen ve oksijene parçalanır, dolayısıyla doğrudan güneş enerjisiyle suyu parçalamak çok ekonomik bir prosestir. Isı arttıkça verimlilik artar 2000 oC %1, 2500 oC %8.5, 3000 oC %24.Bu konuda, parçalanmanın daha düşük sıcaklıklarda olması amacıyla çeşitli katalizörler üzerinde araştırmalar yapılmaktadır.

H2O → aH2O + bOH + cH + dO + eH2 + fO2

Direk ısıl ayrışmanın düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesi için su içerisine bazı kimyasal maddeler katılabilir. Su içerisine kimyasal maddeler karıştırılarak düşük ısılarda direk ısıl ayrışma gerçekleştirilmesine termokimyasal dönüşüm denir. Ancak yüksek sıcaklıkta parçalanmaya göre verimliliği çok düşüktür.

Fotoelektrolizde; direk güneş ışığı kullanılarak da sudan hidrojen elde edilebilir. Su içerisineredox katalizör ve değişik mikro organizmalar katılarak güneş ışığı meydana gelen kimyasal reaksiyon sonucunda hidrojen üretilir.

Biyokütle Gazlaştırması

Ormanlardaki ağaç atıkları, samanlar, yerleşim yerleri katı atıkları, v.s. gibi biyokütlenin termal gazlaştırılmasıyla da hidrojen elde edilebilir. Biyokütledeki hidrojen yaklaşık ağırlıkça %6-6.5 kadardır.

CxHy + x/2 O2

→ xCO + y/2 H2

CO + H2O → CO2 + H2

Biyokütleden hidrojen üretimi fosil yakıtlarından hidrojen üretimine benzer. Önce gazlaştırma yapılır; gaz temel olarak H2, CO ve CH4

dan oluşur. Metan buharla reforme edilerek hidrojen ve karbon monoksite dönüştürülür bu gazlar da ikinci bir reaktöre gönderilirek CO ve buhar, hidrojen ve CO2’ e dönüştürülür.

Prosesin gaz yan ürünü CO2 ‘tir, fakat biyokütleden çıkan karbon dioksit sera gazlarıyla

kıyaslandığında atmosferdeki CO2 konsantrasyonunu artırmaz. Ayrıca H2+CO2 gaz karışımı yakıt

pillerinde elektrik elde etmek için de kullanılabilir.

Hidrojenin Kullanım Alanları

Yakıt Pilleri

Genel olarak bir yakıt pili şöyle çalışır;•Anotta hidrojen molekülü elektron verir ve H+ şekline dönüşür,

•Elektronlar dış hat ile katota doğru ilerlerken bizim ihtiyacımız olan elektrik enerjisini üretirler,

•Hidrojen iyonları yakıt hücresinin tipine göre farklılık gösteren elektrolitten geçerek katota ulaşır,

•Katota geçen hidrojen iyonu ve havada bulunan oksijen dış hattan gelen elektronlarla birleşerek su oluşturur.

Yakıt Pillerinin Sınıflandırılması

Kullanılan Yakıta Göre Çalışma Sıcaklığına Göre

Alkali YPFosforik Asit YPKatı Oksit YPProton Değiştirici Membranlı YPErgimiş Karbonatlı YPDirekt Methanol YPRejeneratif YP

Düşük Sıcaklık YP (0-100oC)Orta Sıcaklık YP (100-500oC)Yüksek Sıcaklık YP (500-1000oC)

Alkali Yakıt Pili (AFC)Elektrolit olarak %85 konsantrasyonunda KOH ( potasyum hidroksit) kullanılır ve çalışma sıcaklığı 250°C dir. %35-50 konsantrasyonda KOH kullanıldığında çalışma sıcaklığı 120°C altına düşer. Katalizör olarak Ni (nikel), Ag (gümüş), metal oksitler veya özel bazı metaller kullanılır.

Anot : H2 (g) + 2(OH)- (aq) → 2H2O (l) + 2e-Katot : ½ O2 (g) + H2O (l) + 2e- → 2(OH)- (aq)Toplam : H2(g) + ½ O2 (g) → H2O (l)

Fosforik Asit Yakıt Pili (PAFC)Elektrolit olarak %100 fosforik asit kullanılır. Çalışma sıcaklığı 150-220°C dir. Katalizör olarak anot ve katotta Pt (platinum) veya Pd (paladyum) kullanılmaktadır.

Anot : H2 (g) → 2H+ (aq) + 2 e-Katot : ½ O2 (g) + 2H+ (aq) + 2e- → H2O (l)Toplam : H2 (g) + ½ O2 (g) + CO2 → H2O (l) + CO2

Katı Oksit Yakıt Pili (SOFC)Elektrolit olarak katı, gözeneksiz metal oksitler ve genellikle de Y2O3 (itriyum tri oksit) ile desteklenmiş ZrO2 kullanılır. Çalışma sıcaklığı 650-1000°C dir. Katalizör olarak anotta Co-ZrO2 veya Ni-ZrO2 katotta ise Sr (Stronsiyum) ile desteklenmiş LaMnO3 (Lantan-Mangan oksit) kullanılır.

Anot : H2 (g) + O2- → H2O (g) + 2 e-

Katot : ½ O2 (g) + 2e- → O2-

Toplam : H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (g)

Proton Değiştirici Membranlı Yakıt Pili (PEM)Elektrolit olarak yapısında flor bulunduran ve sulfonik asit polimerleri gibi iyon değiştirebilen çok ince polimer zar kullanılır. 12-20 mikron seviyesinde kalınlıkları vardır. Zar inceldikçe verimliliği artar. Katalizör olarak anot ve katotta Pt (platin) veya Pd (paladyum) gibi metaller kullanılmaktadır. Çalışma sıcaklığı genellikle 100°C altında olup tipik çalışma sıcaklığı 60-80°C dir.

Anot : H2 (g) → 2H+ (aq) + 2e-Katot : ½ O2 (g) + 2H+ (aq) + 2e- → H2O (l)Toplam : H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l)

Ergimiş Karbonatlı Yakıt Pili (MCFC)Elektrolit olarak Li (lityum), Na (sodyum), K (potasyum) gibi alkali karbonatlarının LiAlO2 biçimindeki seramikleri kullanılır. Çalışma sıcaklığı 600-700°C dir. Katalizör olarak anotta Ni (nikel) katotta ise nikel oksitler kullanılmaktadır.

Anot : H2 (g) + CO32- → H2O (g) + CO2 (g) + 2e-

Katot : ½ O2 (g) + CO2 (g) + 2e- → CO32-

Toplam : H2 (g) + ½ O2 (g) + CO2 (g) → H2O (g) + CO2 (g)

Yakıt Olarak Hidrojen KullanımıHidrojen, hava veya oksijenli ortamlarda kolaylıkla yanar ve açığa çıkan ısı ısıtmada, buhar kazanlarında veya içten yanmalı motorların çalıştırılmasında kullanılabilir.

Hidrojen standart yakma metotlarıyla yakıldığında çok yüksek sıcaklıklar meydana gelir ve fazla miktarda NOx açığa çıkar.

NOx miktarının düşük olması için hidrojenin daha düşük sıcaklıklarda yanması gerekir. Bunun için yakma işlemi uygun bir katalizörün bulunduğu katalitik yakıcılarda yapılır; böylece, yanma sıcaklığı fazla yüksek olmadığından oluşan NOx miktarı da düşük olur.

Doğal gaz kullanılan konvensiyonel yakıcılarda, herhangi bir değişiklik yapılmasına gerek olmadan %15 hidrojen+%85 doğal gaz karışımı kullanılabilir.

Hidrojenin İçten Yanmalı Motorlarda Yakılması

Hidrojen yakıtlı motorlarda yanma açısından ortaya çıkan en önemli iki sorun;•Geri tepme•Erken ateşlemedir.

Yanma odasına gönderilen yakıt hava karışımının silindire girmeden önce tutuşması sonucunda motorun emme manifoldu içinde geriye doğru alevin ilerlemesi geri tepme olarak tanımlanmaktadır. Geri tepme hava fazlalık kat sayısının 2 ila 3 arasında olduğu durumlarda oluşmaktadır. Bu olay emme sistemi elamanlarını tahrip etmekte ve emniyet açısından sorun oluşturmaktadır.

Yanma odasına gönderilen karışımın bujide kıvılcım çakmadan önce sıcak noktalar tarafından tutuşturularak yanmayı istenilenden önce başlatması da erken tutuşma olarak tanımlanmaktadır.

Hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması bu iki sorunu ortaya çıkarmaktadır .

Hidrojenin DepolanmasıHidrojen depolama genel olarak üç şekilde yapılabilir; 1.Basınçlı tankta sıkıştırılmış gaz halinde depolama, 2.Sıvılaştırılmış halde özel izolasyonlu tanklarda depolama, 3.Özel katı maddeler içinde absorblatılarak depolama

Metal HidrürlerKarbonda DepolamaMetanolBenzin ve Diğer Hidrokarbonlar

Sıkıştırılmış Depolama800 bar basınca kadar sıkıştırılarak depolanabilir. Ayrıca, doğal gazın depolanmasında uygulanan teknolojiler hidrojen için de kullanılabilir.

Sıkıştırılmış hidrojen depolama tankları çelik, kompozitle kaplanmış alüminyum veya kompozitle kaplanmış plastik malzemelerden yapılır. Taşıtlarda kullanılacak depo tanklarının hafif kompozit malzemelerden yapılması gerekir; bunlar 350 bar basınca kadar (ağırlıkça %10-12 hidrojen) güvenle kullanılabilmektedir.

Sıvılaştırılmış DepolamaHidrojen, süper izolasyonlu vakumlu tanklarda –253 0C’de sıvı halde (LH2) depolanabilir. Sıvı hidrojen uzun mesafe yolcu araçlarında, uçaklarda ve uzay araçlarında çok avantajlı bir yakıttır.

Özel Katı Maddeler İçinde Absorblatılarak Depolama

a. Metal Hidrürler

Hidrürler, hidrojen ile bir veya daha fazla başka elementler içeren kimyasal maddelerdir. Bir metal hidrür tankta bir ısı alışveriş sistemi ile metal granülleri bulunur. Metal granüller, tıpkı bir süngerin suyu emmesi gibi hidrojeni absorblar. Isı alışveriş sistemiyle tanka hidrojen doldurulurken ısı çekilir, tank boşaltılırken de ısı verilir; metal hidrür ısıtıldığında absorbladığı hidrojeni serbest bırakır.

Bu tür depolamada en önemli dezavantaj depolanan hidrojene kıyasla metal hidrürün fazla ağır bir malzeme olmasıdır.

•Sodyum alüminyum hidrür (NaAlH4) hidrojen absorblama kapasitesi %4, hidrojeni bırakma sıcaklığı 150 0C dir.

•Sodyum bor hidrürdür (NaBH4). Bu bileşiğin avantajı depoladığı hidrojenin normal şartlar altında ve katalizörlü ortamda kontrollü olarak geri alınabilmesidir.

Örneğin, hidrojen kullanan taşıtlarda ağırlıkça %30’luk NaBH4 çözeltisinde %6.7 H2

bulunur. kat.

NaBH4 + 2H2O → 4H⎯ 2 + NaBO2

(l) + ~300 kJ

Ayrılan saf ve nemlendirilmiş hidrojen yakıt pili veya hidrojen motoruna verilir. Reaksiyonda oluşan sodyum borat hidrojenle reaksiyona sokularak tekrar sodyum borohidrüre dönüştürülür.

Karbonda DepolamaNanofiberler, nanotüpler gibi nano yapılı farklı karbonların hidrojen depolayan absorblayıcılar olarak kullanılmasıdır.

Nanotüp (Karbon Nanotüp): Uzun ve ince karbon silindirlerdir; çapları birkaç nanometre ile 20 nanometre, boyları mikron seviyelerindedir. Nanotüpler çapı, uzunluğu ve bükülme şekline göre çeşitli elektronik, termal ve yapısal özellikler gösterirler. Örneğin elektronik bir parça olan diod farklı elektronik özeliklerdeki iki nano boyutlu karbon tüpün birbirine bağlanmasıyla yapılır.

A: diodB: hidrojen ve diğer bazı gazları depolanma,C: transistör ve bilgisayar devresi, amaçlı kullanılan nanotüpler.

Hidrojen, nanotüplerde iki şekilde depolanabilmektedir;

Fiziksel depolama : Zayıf van der Waals kuvvetlerinin etkin olduğu bir depolamadır; depolanan hidrojen etkin kuvvetlerin kaldırılmasıyla tekrar geri kazanılır. Depolama ve geri kazanma işlemleri sürekli olarak tekrarlanabilir.

Kimyasal depolama : Atomlar arasında kovalent bağlar oluşur, yüklenen hidrojenin geri kazanılması için bu bağların kırılması, yanı yüksek sıcaklıklara gereksinim olur.

Nanotüplerde ağırlıkça yüzde 4-14 arasında hidrojen depolanabildiğini göstermiştir.

Nanotüplerin hidrojen depolama kapasiteleri nanotüpün;cinsine (tek duvarlı, çok duvarlı), kapalı veya açık olmasına,ölçülerine (tüp çapı ve uzunluğu) yüzeylerinin aktifliğine göre değişir.

MetanolMetanol, hidrojen ve karbon monoksitten elde edilir, normal şartlar altında sıvıdır ve hidrojen içeriği yüksektir. Kullanım prensibi metanolün parçalanarak hidrojen açığa çıkması ve oluşan hidrojenin yakıt olarak harcanmasıdır. Parçalanma prosesinde enerji kaybı oldukça yüksektir, dolayısıyla sistemin verimi düşük olur. Bu olumsuzluğu yenmek için doğrudan metanolle çalışan yüksek verimli yakıt pilleri geliştirilmiştir.

Benzin ve Diğer HidrokarbonlarBenzin ve diğer hidrokarbonlar bir reforming işleminden geçirilerek hidrojen üretilebildiğinden bu ürünler birer hidrojen depolama sistemleri olarak düşünülebilir.

Dezavantajları:•Hidrojen üretimi yanında oluşan hidrokarbonlar ve CO’in uzaklaştırma zorunluluğ,u•CO’in reformer membranlarını tahrip etme olasılığı,•yüksek sıcaklıklarda çalışma gereğinden dolayı oluşan NOx bileşikleri ve CO2 (sera gazı) emisyon sorunları.