Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Anadolu Üniversitesi Perspektifinde PEM Yakıt Hücresi Çalışmaları

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Anadolu Üniversitesi Perspektifinde PEM Yakıt Hücresi Çalışmaları"— Sunum transkripti:

1 Anadolu Üniversitesi Perspektifinde PEM Yakıt Hücresi Çalışmaları
Doç. Dr. Süleyman Kaytakoğlu Dr. Levent Akyalçın TÜBİTAK MİKRO – KOJEN PROJESİ Ulusal Çalıştayı , Gebze-Kocaeli

2 Anadolu Üniversitesi Amaç ve Kapsam
Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi (PEMYH) üretimi ve geliştirilmesini içeren teknolojiyi (know-how) ülkemize kazandırmaktır. Anadolu Üniversitesi

3 Anadolu Üniversitesi Kilometre Taşları 2000 2002 2003 2003-2004 2005
Levent Akyalçın’ın Doktora tez konusunun PEM Yakıt Hücreleri olarak belirlenmesi 2000 Anadolu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri tarafından desteklenen Genel Amaçlı bir projenin alınması 2002 Anadolu Üniversitesi Bilimsel Araştırma projeleri tarafından desteklenen Lisansüstü çalışmalar için bir projenin alınması 2003 Anadolu Üniversitesi Levent Akyalçın’ın Norveç hükümetinin verdiği bursla, NTNU’da PEMYH hücreleri hakkında araştırmalarda bulunması Süleyman Kaytakoğlu’nun Alman Hükümeti tarafından verilen DAAD bursu kapsamında üç ay süreyle dünyanın önde gelen Jülich Yakıt Hücreleri Araştırma Merkezindeki PEMYHve DMYH hakkında araştırmalarda bulunması 2005 Anadolu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri tarafından desteklenen Bölüm Altyapı Projesinin alınması 2005

4 Anadolu Üniversitesi PEM Yakıt Hücresi Anot Katot 20-90ºC
H2  2H+ + 2e-, U0 =0 V ½ O2 + 2H+ + 2e-  H2O, U0 = 1,229 V Çalışma Sıcaklığı 20-90ºC Elde Edilen Güç 250 kW’a kadar Uygulama Alanları Taşımacılık, Uzay, Askeri Elektrolitteki Yük Taşıyıcı H+ Gerekli Güç Otomobil (75 kW), Otobüs (250 kW)

5 PEM Yakıt Hücresinin Bileşenleri
Anadolu Üniversitesi

6 Material costs for a present-day fuel cell stack
Kwi Seong Jeong and Byeong Soo Oh Fuel economy and life-cycle cost analysis of a fuel cell hybrid vehicle Journal of Power Sources Volume 105, Issue 1 , 5 March 2002, Pages 58-65 Material costs for a present-day fuel cell stack Material mass Material cost (kg/kW) (US$/kW) Membrane Electrode Catalyst Bipolar plate End plate Plastic frame Total Anadolu Üniversitesi

7 PEMYH Katot Katalizör Tabakası
x / m Mezopor Mikropor O2 H+ Anadolu Üniversitesi Polimer Elektrolit (Nafion) H2O, O2 Karbon Parçacıkları (20-40 nm) GDL Pt (3-5 nm) : aktif Pt : pasifPt

8 YH’daki Performans Ölçümleri
Galvanostatik Potansiyostatik Cyclic Voltammetry (CV) Aktif yüzey belirleme Ara ürün adsorpsiyonları Kinetik ve mekanizma Impedance Ohmik direnç İyon/elektron iletkenliği Anadolu Üniversitesi

9 Polarizasyon Eğrisi ve Özellikleri
Reaksiyon Hız Kaybı Kütle Aktarım Kaybı Direnç Kaybı İdeal Potansiyel 1,23V Açık devre voltajı Anadolu Üniversitesi

10 Anadolu Üniversitesi Yürütülen Çalışmalar
Laboratuvar Altyapısının oluşturulması Gaz Difüzyon Tabakasının (GDT) üretimi Membranın Hazırlanması Aktif Tabakanın (AT) Üretimi Geleneksel Yöntem Sputter Yöntemi Membran Elektrot Bileşkesinin (MEB) oluşturulması ve test edilmesi Bir PEMYH sisteminin çalışma şartlarının Taguchi yöntemi kullanılarak optimizasyonu Sputter yöntemi kullanılarak üretilen bir MEB’in Taguchi yöntemi kullanılarak optimizasyonu 100 W gücünde bir PEMYH yığınının oluşturulması. Anadolu Üniversitesi

11 PEMYH ve Kontrol Üniteleri
Anadolu Üniversitesi

12 Anadolu Üniversitesi Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması
Sıcaklık Kontrolörleri Anadolu Üniversitesi Elektronik Yük Veri Alma ve Anahtarlama Birimi Gaz Akış ve Basınç Kontrolörü

13 Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması
Anadolu Üniversitesi

14 Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması
Rotametreler Manometreler Anadolu Üniversitesi Sıcak su banyosu Nemlendiriciler Yakıt Hücresi gövdesi

15 Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması
Gaz girişleri Anadolu Üniversitesi Isıtıcılar 40 W

16 Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması
Anadolu Üniversitesi 2 cm x 2,5 cm

17 GDT ve Üretim Aşamaları
Karbon veya paslanmaz çelik son plaka ile AT arasındaki elektrik iletimini sağlar. Gözenekli yapısıyla reaktant ve ürünlerin homojen akışına izin verir. MEB’in içerisinde oluşan suyu gaz kanallarına iterek uzaklaştırır. Anadolu Üniversitesi Üretim Aşamaları Destek Tabaka (DT) denilen Karbon Kumaş veya Karbon Kağıdın Hidrofobikleştirilmesi DT’nin Karbonla Kaplanması

18 DT’nin Hidrofobikleştirilmesi
Kesilen karbon kumaşın (300 μm kalınlıkta) bir yüzüne PTFE süspansiyonu hava fırçası yardımıyla püskürtülmüştür. Hazırlanan kumaş bir saat oda koşullarında, bir saat 80ºC etüvde kurutulmuş ve yarım saat süreyle 360 ºC’de sinterlenmiştir. Sinterleme işleminden çıkan kumaş tartılmış ve aradaki ağırlık farkından kumaş üzerine kaplanan PTFE miktarı (~%5) bulunmuştur Anadolu Üniversitesi

19 DT’nin Karbonla Kaplanması
Vulcan XC72R karbon tozu, %60 PTFE süspansiyonu, izopropil alkol ve deiyonize su mekanik ve ultrasonik karıştırıcılarda karıştırılmış ve elde edilen çamur hidrofobik tabakaya sürülmüş, daha sonra bir saat 80ºC etüvde kurutulmuş ve yarım saat süreyle 360 ºC’de sinterlenmiştir. Anadolu Üniversitesi Kalınlık : 400 μm Karbon içeriği : 3-5 mg/cm2 PTFE içeriği : 1-2 mg/cm2

20 Membranın Hazırlanması
Nafion 115 Membran (Kalınlık 125 μm) istenilen ölçüde kesilir. Distile suda 90 °C’de15 dakika yıkanır. 90 °C’deki H2O2 (5 %)’de 60 dakika bekletilir. 90 °C’deki distile suda 15 dakika yıkanır. 90 °C’deki H2SO4 (0,5 M)’de 30 dakika bekletilir. Taze H2SO4’le beşinci basamak tekrar edilir. Yedinci basamak taze distile suyla üç defa tekrar edilir. Anadolu Üniversitesi

21 Anadolu Üniversitesi Aktif Tabakanın Hazırlanması Konvansiyonel Yöntem
Johnson&Mattey %20Pt/C, deiyonize su, %5’lik Nafion çözeltisi ve izopropil alkolden oluşan karışım ultrasonik karıştırıcıda karıştırılmış ve daha sonra 2cm x 2,5cm’lik bir çerçevenin taşıyıcı film üzerine maskeleme amaçlı yapıştırılmasıyla oluşan boşluğa, Erichsen marka ince film hazırlama sistemi kullanılarak sürülmüştür. Böylelikle 0,5 mg Pt/cm2 ve 0,8 mg/cm2 Nafion içeren bir Aktif Tabaka elde edilmiştir. Anadolu Üniversitesi Ultrasonik Homojenizatör Mekanik Homojenizatörler İnce Film Hazırlama Sistemi

22 Aktif Tabakanın Hazırlanması
Sputter Yöntemi Sputter yönteminde Pt, Agar Sputter Coater ve Pt disk kullanılarak GDT üzerine Argon gazı atmosferinde 15 s (0.01 mg Pt/cm2), 55 s (0.05 mg Pt/cm2), 105 s (0.10 mg Pt/cm2) ve 200 s (0.20 mg Pt/cm2) sürelerde biriktirilmiştir. Anadolu Üniversitesi

23 Aktif Tabakanın Hazırlanması
Anadolu Üniversitesi

24 Aktif Tabakanın Hazırlanması
Anadolu Üniversitesi

25 Aktif Tabakanın Hazırlanması
Anadolu Üniversitesi

26 Aktif Tabakanın Hazırlanması
Anadolu Üniversitesi

27 Aktif Tabakanın Hazırlanması
Anadolu Üniversitesi

28 Aktif Tabakanın Hazırlanması
Anadolu Üniversitesi

29 Anadolu Üniversitesi MEB’in Oluşturulması
Konvansiyonel yöntemle MEB, AT’lerin 0,5 kN/cm2 basınç, 130ºC sıcaklık ve 3 dakika süreyle Nafion 115 membranla bir sandviç oluşturmak üzere teflon plakalar arasında preslenmesiyle oluşturulmuştur. Sputter yönteminde ise katalizör yüklenen GDT’ler membranla sandviçlenmiştir Anadolu Üniversitesi Nafion 115 Membran Elektrot (GDL+Pt/C)

30 Anadolu Üniversitesi MEB’in Denenmesi
Deneme çalışmaları sırasında H2 100 sccm, O2 ise 200 sccm hızda akıtılmış, nemlendirici ve yakıt hücresi sıcaklığı 75 ºC’de sabit tutulmuş ve hücre basıncı 1, 2, 3 ve 4 barg aralığında değiştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar Nafion 115 membranı ve 0,5 mg Pt/cm2 Aktif Tabakası olan standart E-TEK® MEB’le kıyaslanmıştır. Anadolu Üniversitesi

31 MEB’in Denenmesi Konvansiyonel Yöntem Anadolu Üniversitesi

32 MEB’in Denenmesi Sputter Yöntemi Anadolu Üniversitesi

33 MEB’in Denenmesi Sputter Yöntemi Anadolu Üniversitesi

34 MEB’in Denenmesi Anadolu Üniversitesi

35 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
Taguchi yöntemi, araştırma ve geliştirme faaliyetleri içerisinde, üretim/işletim öncesinde veya üretim/işletim süreci içerisindeki etkin parametrelerin tespit edilmesinde kullanılan istatiksel bir yöntemdir. Bu yöntem kullanılarak zamandan ve üretim faaliyetlerinden çok büyük tasarruflar sağlanmakta böylelikle kalite, verimlilik, güvenilirlik ve kâr artmaktadır. Anadolu Üniversitesi

36 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
Bir deneyin tasarım, yürütme ve analiz basamakları şunlardan oluşmaktadır: Değerlendirilecek faktör ve/veya etkileşimlerin seçimi Faktörlerin seviye sayılarının seçimi Uygun Ortogonal Dizin’in seçimi Faktörlerin ve/veya etkileşimlerin kolonlara atanması Deneylerin yürütülmesi Sonuçların analizi Doğrulama deneyinin yapılması Anadolu Üniversitesi

37 Nemlendirme Sıcaklığı
Taguchi Deney Tasarım Yöntemi PEMYH’nin peformansını etkileyen faktörler: Yakıt hücresinin basıncı, Yakıt hücresine beslenen H2 ve O2 gazlarının akış hızlarının birbirine oranı Yakıt hücresinin sıcaklığı, Gazların nemlendirme sıcaklıkları Anadolu Üniversitesi Faktör Seviye 1 2 3 YH Basıncı Atmosferik 2 barg 4 barg H2/O2 1/1 2/1 1/2 YH Sıcaklığı 70ºC 75ºC 80ºC Nemlendirme Sıcaklığı

38 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
L9 (34) ortogonal dizini Deney Sırası A B C D A: YH Basıncı, barg B: Gaz akış hızlarının oranı C: YH Sıcaklığı, ºC D: Gazların nemledirme sıcaklığı, ºC 1 1/1 70 2 2/1 75 3 1/2 80 4 5 6 7 8 9 1 2 3 Anadolu Üniversitesi

39 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
Rassalaştırılmış Deney Sırası A B C D A: YH Basıncı, barg B: Gaz akış hızlarının oranı C: YH Sıcaklığı, ºC D: Gazların nemledirme sıcaklığı, ºC 1 4 1/2 75 70 2 80 3 2/1 1/1 5 6 7 8 9 Anadolu Üniversitesi

40 Rasallaştırılmış Deney Sırası
Taguchi Deney Tasarım Yöntemi Rasallaştırılmış Deney Sırası 1 2 3 4 5 Güç, mW/cm2 Akım, mA 4034 4263 4102 4075 4118 322,72 341,04 328,16 326 329,44 2240 1750 1840 1907 2177 179,2 140 147,2 152,56 174,16 3300 3345 3245 2900 2670 264 267,6 259,6 232 213,6 3250 3259 2945 3084 2963 260 260,72 235,6 246,72 237,04 3548 3660 3640 3950 3830 283,84 292,8 291,2 316 306,4 6 4200 4487 4340 4416 4295 336 358,96 347,2 353,28 343,6 7 3635 3314 3370 3740 3513 290,8 265,12 269,6 299,2 281,04 8 2188 2230 2134 1360 2140 175,04 178,4 170,72 108,8 171,2 9 2205 2380 2550 1580 2500 176,4 190,4 204 126,4 200 Anadolu Üniversitesi

41 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
Anadolu Üniversitesi

42 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
Anadolu Üniversitesi

43 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
ANOVA(Varyans Analizi) Sonuçları Serbestlik Derecesi Kareler Toplamı Kareler Ortalaması F p A 2 190882 95441 257,44 0,000 B 1745 873 2,35 0,109 C 269 135 0,36 0,698 D 9360 4680 12,62 Hata 36 13346 371 Toplam 44 215603 Anadolu Üniversitesi

44 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
İşaret/Gürültü Oranı Grafiği Anadolu Üniversitesi

45 Anadolu Üniversitesi Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
n: Deney sayısı, y: Güç değeri A3, B3, C2 ve D2 koşulları için beklenen 0,4 V’daki güç değeri : 365 mW/cm2

46 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
Doğrulama Deneyi 1 2 3 4 5 Güç mW/cm2 Akım mA 4874 4878 4755 4610 389,92 390,24 380,4 368,8 Anadolu Üniversitesi Tahmin edilen güç 365,0 mW/cm2 Doğrulama deneyi ile bulunan ortalama güç 379,6 mW/cm2

47 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi
Anadolu Üniversitesi

48 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
Sputter yöntemiyle üretilen bir MEB’in performansını etkileyen faktörler: Membran, Birim alandaki Pt miktarı, Aktif Tabakadaki Nafion miktarı, Gaz Difüzyon Tabakasının türü Anadolu Üniversitesi Faktör/Seviye 1 2 3 4 Membran 112 1135 115 117 Pt Miktarı 0.01 mg/cm2 0.03 mg/cm2 0.05 mg/cm2 0.10 mg/cm2 Nafion Miktarı 0 mg/cm2 -- GDT Karbon kumaş Karbon kağıt

49 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
L16 (42 x 22) ortogonal dizini Deney Membran Pt Mik Nafion GDT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Anadolu Üniversitesi Deney Membran Pt Mik. Nafion Altlık 8 N-1135 0.10 mgPt/cm2 0.05 mg/cm2 Karbon Kumaş

50 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
Deney I. Set II. Set 1 6 4 2 16 3 12 9 5 14 11 7 8 15 10 13 Anadolu Üniversitesi Deneylerin Rassallaştırılmış Sırası

51 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
Anadolu Üniversitesi

52 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
Anadolu Üniversitesi

53 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
Serbestlik Derecesi Kareler Toplamı Kareler Ortalaması F p A 3 55194 18398 11,25 0,000 B 123391 4110 25,14 C 1 25992 15,89 0,001 D 23436 14,33 Hata 23 37622 1636 Toplam 31 265636 Anadolu Üniversitesi

54 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
İşaret/Gürültü Oranı Grafiği Anadolu Üniversitesi

55 Anadolu Üniversitesi Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
n: Deney sayısı, y: Güç değeri A1, B3, C2 ve D2 koşulları için beklenen 0,4 V’daki güç değeri : mW/cm2

56 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması
Deney Membran Pt Mik. Nafion Altlık 3 N-112 0.05 mgPt/cm2 0.05 mg/cm2 Karbon Kağıt Anadolu Üniversitesi Tahmin edilen güç mW/cm2 Deneyde bulunan ortalama güç mW/cm2

57 100W PEMYH Yığının Oluşturulması
Anadolu Üniversitesi

58 100W PEMYH Yığının Denenmesi
Anadolu Üniversitesi

59 100W PEMYH Yığının Denenmesi
Soğutma Ünitesi Anadolu Üniversitesi Nemlendirme Ünitesi Yakıt Hücresi Yığını

60 100W PEMYH Yığının Denenmesi
Anadolu Üniversitesi

61 Sonuçlar ve Mevcut Durum
Dünya standartlarında bir hem PEMYH hem de DMYH için Ar-Ge laboratuvar altyapısı oluşturulmuştur. Standart olarak kabul edilen E-TEK® GDT’lerle kıyaslanabilir ölçütlerde GDT üretimi gerçekleştirilmiştir. Standart olarak kabul edilen E-TEK® MEB’lerle kıyaslanabilir ölçütlerde konvansiyonel ve sputter yöntemleriyle MEB üretimi yapılmıştır. Daha yüksek performanslı MEB üretim çalışmaları devam etmektedir. 100 W gücünde bir PEMYH yığınının üretimi tamamlanmıştır. Ayrıca, araştırma amaçlı Pasif DMYH ve Aktif DMYH çalışmaları yürütülmektedir. Anadolu Üniversitesi

62 Sonuçlar ve Mevcut Durum
Anadolu Üniversitesi

63 TEŞEKKÜR EDERİZ Anadolu Üniversitesi


"Anadolu Üniversitesi Perspektifinde PEM Yakıt Hücresi Çalışmaları" indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları