yakıt pili ve kontrol -...

ENERJİ ENSTİTÜSÜ

Yakıt Pili ve Kontrol

Sistemi

Dr. Emin OKUMUŞ

26 Şubat 2017

Sunum Planı

• Yakıt Pilleri ve türleri

• PEM Yakıt Pilleri

• Ticari Ürünler

• PEM Yakıt pilinin kontrolü

• Hidrojenin özellikleri ve depolanması

• Ticari Yakıt Pilli Araçlar

• Ekipmanlar

Yakıt hücresinin prensipleri ilk olarak Christian Friedrich Schönbein tarafından 1838 de bulunmuş ve "Philosophical Magazine" in Ocak 1839 baskısında yayınlanmıştır.

Bu çalışmadan esinlenen William Robert Grove 1843 de, suyun elektrolizinin ters reaksiyonu sonucunda sabit akım ve gücün üretildiğini fark etti ve ilk yakıt hücresini geliştirmiştir.

1955 de, General Electric şirketinde çalışan bir kimyacı olan W. Thomas Grubb, sülfonlanmış iyon-değişim membranı polisitireni elektrolit olarak kullanarak yakıt pili tasarımını değiştirmiştir. GE den Leonard Niedrach, hidrojenin oksidasyonu ve oksijenin redüksiyonu için Pt katalizörü membran üzerine kaplama metodunu geliştirmiş ve tarihe 'Grubb-Niedrach yakıt pili olarak geçmiştir.

1958 yılında GE bu teknolojiyi NASA ile birlikte daha da geliştirdi ve Gemini uzay projesinde ilk ticari yakıt pilini kullanılmıştır.

YAKIT PİLLERİNİN GELİŞİMİ

http://www.fuelcelltoday.com/media/1711108/fuel_cell_electric_vehicles_-_the_road_ahead_v3.pdf

https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Christian_Friedrich_Sch%C3%B6nbein&action=edit&redlink=1





https://tr.wikipedia.org/wiki/William_Robert_Grove





https://tr.wikipedia.org/wiki/NASA

1959 da Francis Thomas Bacon 5 kW lık

durağan bir yakıt hücresi geliştirmiştir. Aynı

yıl, Harry Ihrig liderliğindeki araştırmacılar

15 kW lık bir yakıt pili yapmışlardır. Bu

sistemde elektrolit olarak potasyum

hidroksit, reaksiyona giren maddeler

olarak ise sıkıştırılmış hidrojen ve oksijen

kullanmıştır.

1959'un sonlarına doğru Bacon ve

arkadaşları bir kaynak makinasını

çalıştırabilen 5 kW lık bir yakıt pili

yapmışlardır.

1960'larda Bacon'ın patentleri ABD'nin

uzay araştırmaları programında elektrik ve

içme suyu sağlamada kullanılmıştır.

1970’li yıllarda, Dupont firması tarafından

yakıt pili için yüksek verimli nafyon

membranı elektrolit olarak üretilmiştir.

YAKIT PİLLERİNİN GELİŞİMİ


https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Francis_Thomas_Bacon&action=edit&redlink=1

https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Francis_Thomas_Bacon&action=edit&redlink=1

fuel-cell-vehicle-specialty.pdf

fuel-cell-vehicle-specialty.pdf

İlk Yakıt Pilli Araçlar


8

Yakıt pilleri yakıttaki kimyasal enerjiyi herhangi bir enerji dönüşüm

prosesi gerekmeksizin elektrik enerjisine yüksek verimle dönüştüren

cihazlardır.

Yakıt Pili

Temizdir

Sessizdir

Yüksek verimlidir

Modüler yapıdadır

Çok değişik kapasitelerde

olabilir (Güç Üretimi – MW,

Taşınabilir Cihazlar – kW)

YAKIT PİLİ TÜRLERİ

Yakıt pilinin işletim sıcaklığın göre

Düşük sıcaklık : 25-100 oC

Orta sıcaklık : 100-500 oC

Yüksek sıcaklık : 500-1000 oC

Kullanılan elektrolite göre

Alkali yakıt pili (AYP),

Fosforik asit yakıt pili (FAYP),

Polimer elektrolit membranlı yakıt pili (PEMYP)

Doğrudan metanol yakıt pili (DMYP)

Sodyum borhidrürlü yakıt pili (SBHYP)

Erimiş karbonatlı yakıt pili (EKYP),

Katı oksit yakıt pili (KOYP)

Yakıt ve elektrolitler

http://kisi.deu.edu.tr/aytac.goren/ELK2015/h07_YakitHucreleri.pdf

Yakıt Pilleri

http://cevre.beun.edu.tr/dersnotu/yakitpilleri/cev346-yakit-pilleri.pdf

Güç (W) = Akım (A) x Gerilim (V)

Yakıt Pili - Kullanım Alanı

1 kW = 1,34 HP 74,6 Kw = 100 HP

PEM Yakıt pili yığını ve bileşenleri


PEM Yakıt Pili Yığını ve Bi-polar plaka detayı


Yakıt Pili Maliyeti

Polarizasyon Eğrisi

http://www.ssm.gov.tr/anasayfa/hizli/duyurular/etkinlikler/konferanslar/Documents/BorCalistayi/I.Oturum/Sodyum%20Borhidr%C3%BCrle%20%C3%87al%C4%B1%C5%9Fan%20Ta%C5%9F%C4%B1nabilir%20Yak%C4%B1t%20Pili%20Geli%C5%9Ftirilmesi%20ve%20Sav.Sanayinde%20Kullan%C4%B1labilirli%C4%9Fi,%20Pr.pdf

YAKIT PİLİ UYGULAMALARI

http://kisi.deu.edu.tr/aytac.goren/ELK2015/h07_YakitHucreleri.pdf

YAKIT PİLİ – ÜRÜNLER

Küçük sabit güç uygulamaları için bazı ürünler ve fiyatları

Üretici/Ürün Uygulama Boy

ut,

kW

Satış fiyatı,

$

APC/InfraStruX-

FCXR10-30

Bilgisayar

sistemleri için

yedekleme

30 25 000

IdaTech/ElectraGen 3 ve

ElectraGen 5

Telekomünikasyon 3-5 -

RellOn/T-1000 ve T-2000 Yedekleme gücü 1-2 4 500-

9 000

Plug Power/GenSys 5C

ve GenSys 4C

Evsel ve küçük

ticari uygulamalar

için grid paralel

CHP

2.5-

5

55 000

Telekom Uygulamaları

Otomobil Uygulamaları

Otomotiv Güç ve menzil

Otomotiv uygulaması

Yakıt Pilinde TEMEL GELİŞTİRME ALANLARI

Hücre performansını artırma

(etkin elektrot, elektrolit, CO toleransı,vb)

Sistem basitleştirme

Maliyeti düşürme

Boyut azaltılması

Ağırlık azaltılması

Isı ve su yönetimi (Hava – Su soğutmalı)

Ömür ve güvenilirlik

Isı geri kazanımının iyileştirilmesi

Yakıt depolama, koşullandırma ve dağıtım geliştirilmesi

Malzemelerin geri dönüşümü

Bazı ticari yakıt pilleri

MES-DEA 250 W, 2,4 kg Horizon 200-220 W, 0,6 kg

MES-DEA 1 kW, 24-36 V, 40 hücre

MES-DEA 1 kW

Nexa 1,2 kW

Nexa 1,2 kW Elektrik bağlantısı

(+) (-)

Nexa 1,2 kW Polarizasyon Eğrisi

Nexa 1,2 kW özellikler

Nexa 1,2 kW Kontrol parametreleri

H2 tüketimi

Horizon 1 kW (H-1000XP)

H-1000XP Elektrik Bağlantısı

H-1000XP Polarizasyon Eğrisi

H-1000XP Hidrojen tüketimi (l/dak)

H-1000XP Hava tüketimi (l/dak)

Yakıt Pili Kontrolü (Nexa 1,2 kW)

Hidrojen

43

Renksiz, kokusuz, tatsız bir gazdır. Hafif olduğu için yüksek yayılma hızına sahiptir. Havadan 15 kat daha hafiftir.

Yakıt karşılaştırması

Yakıt Spesifik

Enerji

(W.sa/kg)

Güç

Yoğunluğu

(W.sa/L)

H2 700 bar 39 406 1 250

H2 sıvı 39 405 2 359

Doğal gaz 14 889 10

LNG 14 889 6 167

Dizel 12 667 10 722

LPG 13 778 7 028

Benzin 12 889 9 500

Etanol 8 333 6 667

Metanol 5 472 4 333

Ni-MH Batarya 80 140-300

Li-ion Batarya 100-243 250-731

NaBH4 9 285 -

Toyoto Mirai 2016 2 000 3 100

Honda 2016 - 3 100

10 W.saat Elektrik Enerjisi için hacimsel olarak :

45

46

Amaçlar

Araç uygulamaları için Borhidrürden hidrojen üretecek 3kWe gücünde Polimer Elektrolit Membran (PEM) tipi yakıt pili teknolojisine dayalı sistemi geliştirmektir. Projede Bordan hidrojen üretmek için küçük ölçekli hidrojen üretim sistemi, yakıt pili bileşenlerinin ve modülünün üretimi, güç şartlandırma ve kontrol sistemleri ile yakıt pili ve hidrojen üretim sisteminin araç içine entegrasyonu gerçekleştirilecektir.

Sonuçlar (Çıktılar, Kazanımlar)

Borhidrürden hidrojen üretim sistemi (50 L/dak)

3 kW PEM yakı pili

İlk yerli araç

Sodyum Borhidrürlü Yakıt Pilli Araç 2009-2011

Destekleyen : Ulusal Bor Enstitüsü-BOREN

BORMOBİL

Hidrojenin Depolanması

Kompozit tanklarda gaz olarak (150-700 Bar) Sıvılaştırılmış olarak (-253 C) Cam mikro kürelerde Karbon nano tüplerde Metal hidrürlerde (güvenlik ve H2 depolama

kapasitesinden dolayı taşıt ve mobil uygulamalarda tercih edilmektedir.)

NaBH4 ve yer altı mağaralarda

Sıvı H2 depolama, -253 C

Metal Hidrit tüpler

Hidrojenin

yoğun bir

şekilde

güvenli ve

kolay

depolanması

nı sağlar.

Metal Hidrit tanklarda

H2 depolama materyalleri

Basınçlı H2 Tankları

H2 Composite Tank 700 Bar

Toyota H2 tankı – mermi testi

https://www.youtube.com/watch?v=jVeagFmmwA0

Araçların karşılaştırılması

Geleneksel Hibrit Hidrojen Batarya

Referans araç Volkswagen

Golf VI

Toyota

Prius III

Honda FCX

Clarity

Nissan

Leaf

Yakıt ağırlığı (kg) 40.8 33.3 4.1 171a

Depolama kapasitesi (kWh) 500 409 137 24

Spesifik enerji (Wh birincil/kg

yakıt)

12,264 12,264 33,320 140a

Depolama sistem ağırlığı (kg) 48 40 93 300b


depolama)

10,408 10,261 1,469 80

Net güç (kW) 90 100 100 80

Güç sistemi ve yardımcı ağırlık

(kg)

233 253 222 100


toplam ekipman)

1,782 1,398 315 60

Ortalama dönüşüm verimi, % 21 35 60 92

Etkin depolama kapasitesi (kWh

kullanılabilir)

105.0 143.1 82.0 22.1

Spesifik enerji (Wh

kullanılabilir/kg toplam ekipman)

374 489 260 55

a Sadece lamine lityum-iyon hücreler.

b Batarya yönetim ve soğutma sistemleriyle birlikte

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468612005671

Yakıt Pilli Araçların karşılaştırılması

56

57

Toyota Mirai

Honda Clarity

Toyota - Honda

H2 Basınç Regülatörü

Alev Geri Tepme Valfi (Flame trap)

H2 gaz dedektörü - sensörü

Alt (LEL) ve Üst (UEL) Patlama Sınırları

Tüm yanıcı gazlarda alt (LEL) ve üst (UEL) patlama

limitleri önemlidir. Bu sınırlar arasındaki

konsantrasyon patlayıcı atmosferdir.

Bağlantı Elemanları

Pnömatik bağlantı elemanları

Hava ile çalışan sistemlerde bağlantı elemanı olarak kullanılır.

Selenoid vana

Vanalar

Basınç ölçerler

Hortumlar - Termokuple

H2 Akış ölçer

(L) (W.sa)

Takım Geçerli Tur H2 tüketimi Enerji Yıl

A 10 395 - 2014

B 10 246 -

C 9 293 -

D 7 178 -

K 10 63 - 2015

L 10 79 -

M 10 98 -

N 10 176 -

O 10 86 -

P 9 277 -

X 11 80 171 2016

Y 8 11 399

Z 5 11 251

TEŞEKKÜRLER

TÜBİTAK MAM

PK. 21, 41470 GEBZE-KOCAELİ

Tel: +90-262-677 20 00 ; Faks: +90-262-641 23 09

www.mam.gov.tr