OTOMOTİV MÜH. II YAKIT PİLİ TEKNOLOJİSİNDEKİ GELİŞMELER VE TAŞITLARA UYGULANABİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ Yrd. Doç.Dr. M. Ertunç TAT HAZIRLAYANLAR 151820031048 Hacer LORCU 151820031069 Cantekin ULUKAYA

GİRİŞ İnsan sağlığını tehdit eden düzeye gelen hava kirliliğinin daha çok içten yanmalı motor kullanan ulaşım araçlarından kaynaklandığı bilinmektedir. Ayrıca Dünya ’nın en önemli ticari malı olan ham petrol rezervlerinin azalmasından dolayı da birçok zengin ülke birincil enerji kaynaklarının çeşitliliğini arttırarak petrole olan bağımlılıklarını azaltmaya çalışmaktadırlar. Enerji üretiminden, ulaşım sektörüne kadar pek çok alanda kullanımının başarıyla mümkün olduğu görülen yakıt pilleri, teknolojik yönden gelişmiş ülkelerin, araştırma kurumlarının ve ulaşım sektörünü elinde tutan şirketlerin son yıllarda üzerinde durdukları en önemli araştırma konusudur.

Yakıt pilleri, kimyasal reaksiyonun enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine çeviren aygıtlardır. Temel bir yakıt pilinde, taşıtlarda kullanılan bataryalardan farklı olarak hidrojen pilin anot tarafından sürekli olarak girerken, hava da pilin katot tarafından sürekli beslenir. Bu yapıdan dolayı yakıt pilleri, yakıt ve yakıcının elektrotlarda yeniden şarja gerek olmadan elektrik enerjisi üretimi sağlamış olur. Elektrik akımını oluşturmak için elektrotlarda elektrokimyasal reaksiyonlar meydana gelir ve sonuç olarak hücrede elektrik akımı ve artık olarak su oluşur.

HİDROJENİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ Renksiz - Kokusuz Doğadaki en basit atom yapısına sahip -252.77°C'da sıvı hale getirilebilir Havadan 14.4 kez daha hafif yoğunluğu havanın 1/14 ü, doğal gazın ise 1/9 u, sıvı haldede benzinin 1/10 dur. Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir. Üst ısıl değeri 140.9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg. 1 kg hidrojen 2.1 kg doğal gaz veya 2.8 kg petrolun sahip olduğu enerjiye sahiptir. Hidrojen petrol yakıtlarına göre ortalama 1.33 kat daha verimli bir yakıttır. Evrende %90 dan fazla hidrojen bulunmaktadır.

KİMYASAL ÖZELLİKLERİ Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz, bileşikler halinde bulunur. Yakıt olarak kullanıldığında atmosfere atılan ürün sadece su ve/veya su buharı olmaktadır. Hidrojenin çekirdeğinde bir proton ve çevresinde yalnız bir elektron bulunur. 5000 hidrojen atomunun birinin çekirdeğinde birde nötron bulunur.(döteryum) Döteryum ile oksijen ile birleştirilmesinden elde edilen suya ağır su denilir. Çekirdeğinde iki nötron bulunan izotopu (tridyum) hidrojen bombası yapımında kullanılır.

Hidrojen Depolanma Yöntemleri Hidrojenin üç çeşit depolama yöntemi vardır. Bunlar; 1.Hidrojenin basınçlı gaz olarak depolanması 2.Hidrojenin sıvı olarak depolanması 3.Hidrojenin metal hidrid şeklinde depolanması

Başlangıçta uzay araçlarını güçlendirmek için geliştirilen yakıt pilleri, temiz enerji üretimi ve yüksek verimleri ile enerji tasarrufu sağlayan bir güç kaynağı olarak, gelecekteki otomotiv kullanımı için ümit vermektedir. Yakıt kaynağı olarak doğal gaz, petrol türevleri, sıvı propan ve gazlaştırılmış kömür gibi fosil kökenli yakıtlar veya etanol, metanol ya da hidrojen gibi yenilenebilir yakıtlar kullanılabilir.

Yakıt Pillerinin Önemi Yakıt hücreleri, konvansiyonel güç üretim sistemlerine göre aşağıdaki üstünlüklere sahiptir: Çevresel kirlilik oranı düşüktür. Enerji üretim verimi oldukça yüksektir. Farklı yakıtlarla çalışabilir. (Doğal gaz, LPG, Metanol,Etanol) Egzoz ısısı yeniden kazanılabilir. Modüler yapıdadır.

Montaj süresi kısadır. Çok yüksek miktarda soğutma suyu gerektirmez. Güvenilir bir sistemdir. İşletim karakteristiği uygulamada kolaylıklar sağlar. Geleceğe yönelik olarak gelişme potansiyeli oldukça yüksektir. Katı atık ve gürültü problemi yoktur.

YAKIT PİLLERİNİN ÇEŞİTLERİ Kullandıkları yakıt ve/veya oksidantlara göre Gaz yakıt kullananlar (hidrojen, amonyak, hava ve oksijen) Sıvı yakıt kullananlar (alkoller, hidrazin, hidrokarbonlar) Katı yakıt kullananlar (kömür, hidratlar)

Kullanılan elektrolit malzeme çeşidine göre 1- Değişken proton membranlı (zar) yakıt pilleri 2- Fosforik asitli yakıt pilleri 3- Alkali yakıt pilleri 4- Erimiş karbonatlı yakıt pilleri 5- Yoğunlaştırılmış oksitli yakıt pilleri

1.Değişken Proton Membranlı (Katı Polimer)Yakıt Hücreleri Bu hücrelerde kullanılan elektrolit iyon değiştirici bir membrandır. Bu membran iyi bir proton değiştiricidir. Bu hücrelerde bulunan tek sıvı sudur ve diğer hücrelere göre korozyon çok azdır. Elektrolit sızıntısı problemi de bulunmamaktadır. Düşük sıcaklıkta çalıştığından ulaşım araçları için uygun bir yakıt hücresi tipidir.

2.Fosforik Asit Yakıt Hücreleri Konsantre fosforik asidin kullanıldığı bu hücreler 160-220 C arasında çalışmaktadır. Düşük sıcaklıklar fosforik asidin iletkenliğinin az olmasından dolayı tercih edilmez.Halen ticari teknolojide geçerli tek pil çeşidi fosforik asit pilleridir. Bunlar savunma bölümü yakıt pili geliştirme programında kullanılmaktadır.

3.Alkali Yakıt Hücreleri Düşük sıcaklık aralığında çalışan bu hücrelerde elektrolit olarak konsantre (%35–50) potasyum hidroksit (KOH), yakıt kaynağı olarak saf H2 kullanılmaktadır. Alkalin yakıt pilleri genelde iletim için kullanılırlar. Fakat havada bulunan karbon oksitlere karşı çok duyarlı olduğu için yer uygulamalarında kullanmak zordur.

4.Erimiş Karbonat Yakıt Hücreleri Elektrolit olarak alkali karbonatların kombinasyonları kullanılır. Alkali karbonatların erimiş tuzlarının yüksek sıcaklıkta yüksek iletkenliklerinden dolayı çalışma sıcaklığı 600-700 C arasındadır ve en çok 1–20 MV kapasite aralığına uygundur. Büyük güç santralleri ile yeniden üretme tesislerinde kullanılırlar.

5.Yoğunlaştırılmış Oksijen (Katı Oksit) Yakıt Hücreleri Bu hücrede kullanılan elektrolit katı metal oksittir. Plakaları soğutmak için basınçlı katot havasını kullanır. Yakıt pili dizileri sıcaklık, su ve basıncını kontrol eden ve sistemin kendi başına çalışmasını sağlayan pek çok alt sisteme sahiptir. Bu alt sistemler; su pompaları, su arıtma istasyonları, hava kompresörleri, soğutma pompaları ve radyatörler olabilir.

BİR YAKIT PİLİ NASIL ÇALIŞIR

Yakıt hücresinin çalışma prensibi, suyun elektrolizinin tam tersidir Yakıt hücresinin çalışma prensibi, suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakıt pilleri; yakıtı ve okside eden maddeyi kimyasal olarak yanma olmaksızın bir araya getirerek geleneksel yanmadaki enerji kayıplarını önler ve kirliliğine neden olmaz. Yakıt hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir. Hidrojen elektrotta, H2  2H+ + 2e- Oksijen elektrotta, ½ O2 + 2H+ + 2e-  H2O Toplam reaksiyon, H2 + ½ O2  H2O

YAKIT HÜCRESİ GRUBU Birçoğunun ebatları küçük olup 0,5 ve 0,9 volt arasında,ortalama olarak 0,7 voltluk DC elektrik üretirler. Bazı piller düşük ve orta voltajlı sistemlere daha yüksek voltaj üretmek için bir grup halinde “yığın” adı ile çalıştırılabilirler. Elektrik motorunu çalıştıracak yeterli enerjiyi üretebilmek için 150 ila 200 yakıt hücresi "grup" halinde bir araya getirilir. Yakıt pili üretim tesisinde güç bölümünün en önemli kısmı “yığın” kısmıdır. Diğerleri ise yakıt alıcısı ( işleyicisi ) ve güç düzenleyicisidir.

PEM Yakıt Pillerinin Güç Yoğunluklarının Karşılaştırılması

PEM Yakıt Pilleri ve İçten Yanmalı Motorların Karşılaştırılması

PEM Yakıt Pilleri ile İçten Yanmalı Motorların Kütlelerinin Karşılaştırılması

PEM Yakıt Pilleri ile İçten Yanmalı Motorların Hacimlerinin Karşılaştırılması

İçten Yanmalı Motorların ve Yakıt Pillerinin Verimlerinin Karşılaştırılması

2005 yılı dayanıklılığı:2100 saat Dayanıklılık 2005 yılı dayanıklılığı:2100 saat

Soğuk Başlama Kapasitesi 2005 yılı soğuk başlama kapasitesi:-25 C’de 90 sn

2005 yılı güç yoğunluğu:1,470 Ws/lt

2005 yılı yığın maliyeti: $73 USD/kW’

Günümüzün Hidrojen Yakıtlı Taşıtları Daimler-Benz : Ballard - Daimler Benz ortaklığı neticesinde 1994 yılı mayıs ayında PEM’li yakıt pilleriyle çalışan ilk otomobili birlikte ürettiler ; NECAR I (New Electric Car) . NECAR I iki kişi taşıyabiliyordu. Menzili de yalnızca 130 km’ idi. İki yıl sonra yine Mayıs ayında NECAR II üretildi. NECAR II altı kişi taşıyabiliyordu ve menzili de iki katına çıkarılmıştı : 250 km. Erişebildiği en yüksek hız da 90 km/saat’ idi. 1997 başlarında NEBUS adlı otobüs üretildi. 250 km menzilli bu otobüs kent içi ulaşımında geleneksel otobüsler gibi rahatlıkla kullanılabiliyor. NEBUS çatısındaki güneş panelleri sayesinde ek bir elektrik üretimi daha gerçekleştirebiliyor. Bu elektrik de otobüsün havalandırma sisteminde kullanılıyor. Aynı yılın Eylül’ünde NECAR III halka gösterildi. NECAR III önceki üç taşıttan da farklıydı. Yakıt olarak hidrojen değil metanol kullanıyordu. Metanoldeki hidrojen, otomobilin seyri sırasında ayrıştırılıp yakıt pillerine veriliyordu.

Necar I ve Necar II yakıt olarak doğrudan hidrojeni kullanıyorlardı Necar I ve Necar II yakıt olarak doğrudan hidrojeni kullanıyorlardı. Yakıt deposunun ve öteki aygıtların büyüklüğü nedeniyle bu taşıtlar minibüs tipindeydi. Ancak Necar III’ te yakıt olarak metanolün kullanılması yakıt deposunu çok küçülttü. Donanımın geri kalanındaki küçülme sonucunda da günümüz otomobillerinden hiçbir farkı olmayan bir elektrikli otomobil ortaya çıktı.

Ballard Şirketinin yanısıra, General Motors, Ford, Chrysler, Toyota, Honda, BMW, Renault yakıt pilleri ile çalışan otomobilleri ticari anlamda üretmek çabasındadırlar. 1993'ten bu yana çok sayıda prototip araç üretilmiştir. General Motors'un Opel, "Zafira" adı verilen ve 75 kW' lık Ballard "tescilli" yakıt pili taşıyan aracı, Ford tarafından üretilen "Think FC5"ler, Toyota'nın RAV-4 ve Fine-N'i, Nissan Renessa ve Mitsubishi, Daihatsu, Honda ve Mazda ortaklığı Demio FCEV, Renault'un 30 kW Nora cell kullanan Lagunası prototiplere birer örnektir.

Dünya nüfusunun hızla artması, mevcut enerji kaynaklarının yakın gelecekte yetersiz kalacak olması ve çevre kirliliğinin tehlikeli boyutlara ulaşması alternatif yakıtların önemini arttırmıştır. Bu durum araştırılacak alternatif yakıtların çevre dostu olmasını zorunlu kılmaktadır. Bu çalışma da incelenen hidrojen hem elde edilebilme potansiyeli hem de çevre dostu olması bakımından alternatif yakıtlar içinde önemli bir konumdadır. Yanma ve depolama ile ilişkin sorunların halledilmesi durumunda hidrojen önümüzdeki yıllarda rakipsiz bir yakıt olacaktır.

SONUÇ VE ÖNERİLER PEM yakıt pillerinin, içten yanmalı motorlardan hacimce daha az yer kaplayacağı ve kütlece daha hafif olabileceği sonucuna ulaşılmıştır. İçten yanmalı motorlar üzerinde yapılan yoğun araştırma çalışmaları sonucunda, büyük harcamalar yapılmıştır. Yaklaşık 100 – 120 yıldır yapılan araştırmalara rağmen, içten yanmalı motorların günümüzde verimi % 30’u aşamamıştır. Benzer bir şekilde, yakıt pilleri içinde bir araştırma yapılırsa çok daha az harcama ile daha kısa sürede, hem verim ve hem de maliyet açısından daha iyi noktalara ulaşılacağı kesin görülmektedir.

Karşılaşılan en önemli sorun yakıt pilinin maliyeti olmuştur Karşılaşılan en önemli sorun yakıt pilinin maliyeti olmuştur. Ancak, pilin en pahalı elemanı olan elektrotların ince film teknolojisi ile üretilmesi sonucunda platin maliyetinin 6 $/KW’a kadar düşmesi ile önemli gelişme sağlanmıştır.Ayrıca, seri üretim tekniği ile katı elektrolitin maliyeti de 50 $/ kadar düşmüştür. Benzer bir şekilde, kompozit gaz yayılım plakalarının geliştirilmesi ve seri üretim tekniği ile üretilmesi bu problemi çözme aşamasına getirmiştir. Bununla birlikte hidrojenin elde edilmesi ve depolanması içinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bunun için bor madeninin kullanılabileceği çeşitli kaynaklar tarafından önerilmektedir.

Maliyetin seri üretimle azaltılması ve dağıtım sonrası servis hizmetlerinin sağlanması ile birlikte yakıt pillerinin taşıtlarda yaygın olarak kullanılması beklenmektedir. Bazı otomotiv firmaları, kendi geliştirdikleri yakıt pillerini taşıtlara uygulamayı başarıyla sağlamışlardır. Gelecekte PEM yakıt pili paketlerinin içten yanmalı motorların yerini alacağı düşünülmektedir.

TEŞEKKÜRLER…