Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Anadolu Üniversitesi Perspektifinde PEM Yakıt Hücresi Çalışmaları Doç. Dr. Süleyman Kaytakoğlu Dr. Levent Akyalçın TÜBİTAK MİKRO – KOJEN PROJESİ Ulusal.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Anadolu Üniversitesi Perspektifinde PEM Yakıt Hücresi Çalışmaları Doç. Dr. Süleyman Kaytakoğlu Dr. Levent Akyalçın TÜBİTAK MİKRO – KOJEN PROJESİ Ulusal."— 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 Amaç ve Kapsam Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi (PEMYH) üretimi ve geliştirilmesini içeren teknolojiyi (know-how) ülkemize kazandırmaktır.

3 Kilometre Taşları 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 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 PEM Yakıt Hücresi Çalışma Sıcaklığı 20-90ºC Elde Edilen Güç 250 kW’a kadar Uygulama Alanları Taşımacılık, Uzay, Askeri Elektrolitteki Yük Taşıyıcı H+H+ Gerekli Güç Otomobil (75 kW), Otobüs (250 kW) H 2  2H + + 2e -, U 0 =0 V ½ O 2 + 2H + + 2e -  H 2 O, U 0 = 1,229 V Anot Katot

5 PEM Yakıt Hücresinin Bileşenleri

6 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 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 1Journal of Power Sources Volume 105, Issue 1, 5 March 2002, Pages 58-65

7 Polimer Elektrolit (Nafion) Karbon Parçacıkları (20-40 nm) Pt (3-5 nm) GDL O2O2 H 2 O, O 2 H+H+ PEMYH Katot Katalizör Tabakası Mezopor Mikropor : aktif Pt : pasifPt x /  m 0

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 –Kinetik ve mekanizma

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

10 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.

11 PEMYH ve Kontrol Üniteleri

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

13 Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması

14 Rotametreler Manometreler Sıcak su banyosu Nemlendiriciler Yakıt Hücresi gövdesi

15 Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması Gaz girişleri Isıtıcılar 40 W

16 Laboratuvar Altyapısının Oluşturulması 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. 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

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. Kalınlık : 400 μm Karbon içeriği: 3-5 mg/cm 2 PTFE içeriği: 1-2 mg/cm 2

20 Membranın Hazırlanması 1.Nafion 115 Membran (Kalınlık 125 μm) istenilen ölçüde kesilir. 2.Distile suda 90 °C’de15 dakika yıkanır °C’deki H 2 O 2 (5 %)’de 60 dakika bekletilir °C’deki distile suda 15 dakika yıkanır °C’deki H 2 SO 4 (0,5 M)’de 30 dakika bekletilir. 6.Taze H 2 SO 4 ’le beşinci basamak tekrar edilir °C’deki distile suda 15 dakika yıkanır. 8.Yedinci basamak taze distile suyla üç defa tekrar edilir.

21 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/cm 2 ve 0,8 mg/cm 2 Nafion içeren bir Aktif Tabaka elde edilmiştir. Mekanik Homojenizatörler Ultrasonik Homojenizatör 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/cm 2 ), 55 s (0.05 mg Pt/cm 2 ), 105 s (0.10 mg Pt/cm 2 ) ve 200 s (0.20 mg Pt/cm 2 ) sürelerde biriktirilmiştir.

23 Aktif Tabakanın Hazırlanması

24 60 s

25 Aktif Tabakanın Hazırlanması 120 s

26 Aktif Tabakanın Hazırlanması 240 s

27 Aktif Tabakanın Hazırlanması 480 s

28 Aktif Tabakanın Hazırlanması 960 s

29 MEB’in Oluşturulması Konvansiyonel yöntemle MEB, AT’lerin 0,5 kN/cm 2 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 Nafion 115 Membran Elektrot (GDL+Pt/C)

30 MEB’in Denenmesi Deneme çalışmaları sırasında H sccm, O 2 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/cm 2 Aktif Tabakası olan standart E-TEK ® MEB’le kıyaslanmıştır.

31 MEB’in Denenmesi Konvansiyonel Yöntem

32 MEB’in Denenmesi Sputter Yöntemi

33 MEB’in Denenmesi Sputter Yöntemi

34 MEB’in Denenmesi

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.

36 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi Bir deneyin tasarım, yürütme ve analiz basamakları şunlardan oluşmaktadır: 1.Değerlendirilecek faktör ve/veya etkileşimlerin seçimi 2.Faktörlerin seviye sayılarının seçimi 3.Uygun Ortogonal Dizin’in seçimi 4.Faktörlerin ve/veya etkileşimlerin kolonlara atanması 5.Deneylerin yürütülmesi 6.Sonuçların analizi 7.Doğrulama deneyinin yapılması

37 PEMYH’nin peformansını etkileyen faktörler:  Yakıt hücresinin basıncı,  Yakıt hücresine beslenen H 2 ve O 2 gazlarının akış hızlarının birbirine oranı  Yakıt hücresinin sıcaklığı,  Gazların nemlendirme sıcaklıkları Taguchi Deney Tasarım Yöntemi Faktör Seviye123 YH BasıncıAtmosferik2 barg4 barg H 2 /O 2 1/12/11/2 YH Sıcaklığı70ºC75ºC80ºC Nemlendirme Sıcaklığı 70ºC75ºC80ºC

38 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi L 9 (3 4 ) ortogonal dizini Deney Sırası ABCD A: YH Basıncı, barg B: Gaz akış hızlarının oranı C: YH Sıcaklığı, ºC D: Gazların nemledirme sıcaklığı, ºC 1 01/ / / / / / / / /27570

39 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi Rassalaştırılmış Deney Sırası ABCD A: YH Basıncı, barg B: Gaz akış hızlarının oranı C: YH Sıcaklığı, ºC D: Gazların nemledirme sıcaklığı, ºC 141/ / / / / / / / /175

40 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi Rasallaştırılmış Deney Sırası Güç, mW/cm 2 Akım, mA ,72341,04328, , , ,2152,56174, ,6259, , ,72235,6246,72237, ,84292,8291, , ,96347,2353,28343, ,8265,12269,6299,2281, ,04178,4170,72108,8171, ,4190, ,4200

41 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi

42

43 Serbestlik Derecesi Kareler Toplamı Kareler Ortalaması Fp A ,440,000 B ,350,109 C ,360,698 D ,620,000 Hata Toplam ANOVA(Varyans Analizi) Sonuçları

44 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi İşaret/Gürültü Oranı Grafiği

45 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi A3, B3, C2 ve D2 koşulları için beklenen 0,4 V’daki güç değeri : 365 mW/cm 2 n: Deney sayısı, y: Güç değeri

46 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi Doğrulama Deneyi Güç mW/cm 2 Güç mW/cm 2 Güç mW/cm 2 Güç mW/cm 2 Güç mW/cm 2 Akım mA Akım mA Akım mA Akım mA Akım mA ,92390,24380,4368,8 Tahmin edilen güç 365,0 mW/cm 2 Doğrulama deneyi ile bulunan ortalama güç 379,6 mW/cm 2

47 Taguchi Deney Tasarım Yöntemi

48 Sputter yöntemiyle üretilen bir MEB’in performansını etkileyen faktörler:  Membran,  Birim alandaki Pt miktarı,  Aktif Tabakadaki Nafion miktarı,  Gaz Difüzyon Tabakasının türü Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması Faktör/Seviye1234 Membran Pt Miktarı0.01 mg/cm mg/cm mg/cm mg/cm 2 Nafion Miktarı0 mg/cm mg/cm 2 -- GDTKarbon kumaşKarbon kağıt--

49 L 16 (4 2 x 2 2 ) ortogonal dizini DeneyMembranPt MikNafionGDT DeneyMembranPt Mik.NafionAltlık 8N mgPt/cm20.05 mg/cm2Karbon Kumaş Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması

50 DeneyI. SetII. Set Deneylerin Rassallaştırılmış Sırası Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması

51

52

53 Serbestlik Derecesi Kareler Toplamı Kareler Ortalaması Fp A ,250,000 B ,140,000 C ,890,001 D ,330,001 Hata Toplam

54 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması İşaret/Gürültü Oranı Grafiği

55 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması A1, B3, C2 ve D2 koşulları için beklenen 0,4 V’daki güç değeri : mW/cm 2 n: Deney sayısı, y: Güç değeri

56 Sputter Yöntemi: Taguchi Uygulaması Tahmin edilen güç mW/cm 2 Deneyde bulunan ortalama güç mW/cm 2 DeneyMembranPt Mik.NafionAltlık 3N mgPt/cm20.05 mg/cm2Karbon Kağıt

57 100W PEMYH Yığının Oluşturulması

58 100W PEMYH Yığının Denenmesi

59 Soğutma Ünitesi Yakıt Hücresi Yığını Nemlendirme Ünitesi

60 100W PEMYH Yığının Denenmesi

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.

62 Sonuçlar ve Mevcut Durum

63 TEŞEKKÜR EDERİZ


"Anadolu Üniversitesi Perspektifinde PEM Yakıt Hücresi Çalışmaları Doç. Dr. Süleyman Kaytakoğlu Dr. Levent Akyalçın TÜBİTAK MİKRO – KOJEN PROJESİ Ulusal." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları