Upload
muratsena
View
3.729
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
YAKIT PİLİ (FUEL CELL)
TEKNOLOJİSİ
Yakıt Pili (FC) Nedir?
Yakıt Pili elektrik üretmek için hidrojen ve
oksijeni birleştiren bir elektrokimyasal bir
cihazdır. Yan ürün olarak su ve ısı açığa
çıkar.
Yakıt Pili Teknolojisi Niçin
Önemlidir?
Yakıtın enerjiye dönüşümü
elektrokimyasal olur, yanmayla değil
Temiz, sessiz ve yüksek verimli proses-
yakıt yanmasına göre 2 – 3 kat daha
fazla verimlidir.
Yakıt Pili Nasıl Çalışır?
Çalışma prensibi pilinkine çok benzer
fakat pildeki gibi enerjisinde ne zamanla
düşme olur ne de sarj gerektirir.
Yakıt sağlandığı sürece enerji ve ısı
üretir.
Yakıt Pili Nasıl Çalışır?
Yakıt Pili iki katalizör kaplı elektrot ve
onları çevreleyen elektrolit ten oluşur.
Elektrot lardan biri anot, diğeri katot dur.
Yakıt Pili Nasıl Çalışır?
Süreç hidrojen moleküllerinin anota
girmesi ile başlar.
Katalizör kaplama hidrojenin negatif
yüklü elektronlarını pozitif yüklü
protonlardan ayırır
Yakıt Pili Nasıl Çalışır?
Elektrolit, protonların katoda geçmesine
izin verirken elektronların geçmesini
engeller.
Bunun yerine elektronlar elektrik akımı
yaratan bir dış devreye yönlendirilir.
Yakıt Pili Nasıl Çalışır?
Elektronlar dış devreden geçerken,
oksijen molekülleri katota geçer.
Elektronlar dış devre üzerinden geçtikten
sonra oksijen ve protonlarla birleşir.
Oksijen ve protonlar elektronlarla
birleştiğinde su ve ısı üretilir.
Yakıt Pili Nasıl Çalışır?
Yakıt Pili Nasıl Çalışır?
Yakıt pilleri seri olarak yerleştirilerek yakıt
pili grupları oluşturulur.
Pil grupları bir sistem içinde kullanılarak
bir taşıta güç saglıyabileceği gibi sabit
güç kaynağı olarak binalarda da
kullanılabilir.
Yakıt Pili Çeşitleri
Genel olarak tüm yakıt hücrelerinde aynı
temel yapılandırma vardır - Elektrolit ve
iki elektrot.
Farklı tipteki yakıt pilleri kullanılan
elektrolit türüne göre sınıflandırılır.
Kullanılan elektrolit türü gerçekleşecek
kimyasal reaksiyonları ve çalışma
sıcaklık aralığını belirler
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Proton Değişimli Membran( Proton Exchange Membrane -PEM) Bu tür otomobillerde yaygın
olarak kullanılır
Elektrolit olarak polimer membran kullanılır
Göreceli olarak düşük sıcaklıkta çalışır, yaklaşık 175 derece
Enerji yoğunluğu yüksektir, enerji çıkışını hızlı değiştirebilir ve başlangıcı hızlıdır bu yüzden otomobillerde kullanımı yaygındır
Yakıt kirliliğine duyarlıdır
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Direkt Methan (PEM alt türevi) Beklenen verimlilik %40 – düşük çalışma sıcaklıkları
120-190 derece
Elektrolit olarak polimer membran kullanır
PEM den farklı olarak anode katalizörü ara işleme ihtiyac duymadan direkt olarak methanın içindeki hidrojeni kullanır
Küçük taşınabilir güç uygulamalarında kullanılır – cep telefonu, laptop gibi
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Fosforik Asit Ticari olarak en çok
geliştirilen yakıt pili Verimliliği %40 ın üzerinde
Elde edilen buharın %85 i cogeneration için kullanılabilir
Elektrolit olarak sıvı fosforik asid kullanılır ve çalışma sıcaklığı yaklaşık 450 derece F
Bir önemli avantajı yakıt olarak saf olmıyan hidrojen kullanılabilir
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Erimiş Karbonat Yüksek yakıt-elektrik verimliliği ve kömür bazlı yakıt
kullanılabilmesi gelecek vaad etmektedir
Erimiş karbonat tuz karışımından oluşan bir elektrolit kullanılmaktadır
Katota karbon dioksit ve oksijen verilmesi gerekir
Çalışma sıcaklığı çok yüksektür - 1200 derece
Öncelikli uygulama alanı elektrik santralleridir
Yakıt olarak hidrojen, karbon monoksit, doğal gaz, çöp gazı kullanılabilir
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Erimis Karbonat Yakıt
Pili
Çok yüksek sıcaklıklardan
dolayı anod ve katot ta
değerli olmıyan metallerin
kullanılması maliyeti
azaltır
Dezavantajı uzun ömürlü
olmamasıdır
Gerekli yüksek sıcaklık ve
aşındırıcı elektrolit ömrünü
kısaltır
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Katı Oksit elektrolit olarak sert,
gözeneksiz seramik bileşiği
kullanılır
Verimliliği %60 a varır
Çok yüksek sıcaklıklarda
çalışır - 1800 derece
Yüksek çalışma sıcaklıkları
gerektiğinden endüstriyel
elektrik santrallerinde kullanılır
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Alkalin Ağırlıklı olarak Askeri ve uzay programlarında
kullanılır
Verimi %70 kadar ulaşır fakat taşıt uygulamalari için pahalı bulunmaktadır
Apollo uzay aracında elektrik ve içme suyu sağlamak için kullanılmıştır
Elektrolit olarak sulu potasyum hidroksit çözeltisi kullanılır ve 75 -160 derecede çalışır
Anot ve katot da katalizör olarak değerli olmıyan çeşitli metaller kullanılabilir
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Alkalin Yakıt Pili
Karbon kirliliğine duyarlı
olduğundan Saf hidrojen
ve oksijen gerektirir
Hidrojen ve oksijen arıtma
işlemi oldukça pahalıdır
Kirlenmeye karşı
hassasiyet pilin ömrünü
etkiler dolasıyla maliyet
artar
Başlıca Yakıt Pili Türleri
Rejeneratif Yakıt Pili
NASA tarafından üzerinde çalışılmaktadır
Enerji üretim kapalı bir döngülüdür
Suyun Hidrojen ve oksijene ayrıştırılması için güneş
enerjisi kullanılır
Hidrojen ve oksijenle beslenen yakıt pili elektrik, ısı
ve su üretir
Yan ürün su güneş enerjili elektrolize geri sirküle
edilerek süreç tekrar başlatılır
Hidrojenin Önemi
Yakıt Pilleri için yakıt olarak yüksek
saflıkta hidrojen gereklidir
Araştırmacılar geniş bir yelpazede çevre
dostu ve ekonomik yöntemlerle hidrojen
üretmek için teknoloji gelişmektedirler
Hidrojenin Önemi
Hidrojen ikincil bir enerji kaynağı olduğunundan başka bir yakıttan yapılmış olması gerekir
Hidrojen çok değişik enerji kaynaklarından üretilebilir:
Fosil yakıtlar, doğal gaz ve kömür gibi
Nükler enerji
Yenilebilinir kaynaklar, güneş, su, rüzgar ve biyokütle gibi
Hidrojen Üretimi
Hidrojen üretimi ile ilgili en büyük sorun
maliyettir
Hidrojen üretim maliyetlerinin taşımacılık
sektöründe yaygın olarak kullanılan
geleneksel yakıtların kilometre bazındaki
maliyetlere çekilerek rekabet edebimesi
ticari pazardaki başarısı için en büyük
engeldir
Hidrojen Üretimi
Hidrojen üretimi üç genel kategoriye
ayrılır
Termal
Elektrolitik
Photolitik
Hidrojen Üretimi
Termal
Doğal gaz
Gazlaştırma
Yenilebilinir Likit oluşturma
Hidrojen Üretimi
Doğal Gaz
Buhar Methan Hidrojen yüksek sıcaklıkta buhar kullanarak
doğal gazın içindeki metandan üretilir
Hidrojen üretmek için Metan bir katalizör yardımı ile buhar ile reaksiyona girer
ABD de kullanılan hidrojenin %95 i bu yolla üretilmektedir
Kısmi oksidasyon Hidrojen methan havada yakılarak üretilir
Hidrojen Üretimi
Gazlaştırma
Kömür veya biyokütle basınç altında ısı
uygulayarak ve buhar eşliğinde gaz
bileşenlerine dönüştürülür
Seri kimyasal reaksiyonların sonucunda
sentez gazı elde edilir bu gaz buhar ile
reaksiyona girerek daha fazla ayrıştırılabilir
hidrojen üretilir
Hidrojen Üretimi
Yenilebilinir Likit oluşturma
Biyokütle yenilenebilir sıvı yakıtlar yapmak
işlenir örneğin etanol ya da biyo-petrol
yüksek sıcaklıkta buharla reaksiyona girerek
hidrojen üretilir
Bu yöntem doğal gazdan üretime çok benzer
Hidrojen Üretimi
Elektrolitik
Elektrolitik yöntemde elektrik akımı
kullanılarak su hidrojen ve oksijen ayrıştırılır
Gerekli elektrik yenilenebilir teknolojiler
kullanılarak üretilebilinir - rüzgar, güneş,
geotermal ve hidroelektrik
Hidrojen Üretimi
Photolitik
Güneş enerji kullanılarak su hidrojen ve
oksijene ayrıştırılır
Bu yöntemdeki ArGe çalışmaları yeni
başlamiş olsada düşük maliyetli ve çevre
dostu üretim için büyük potansiyel
taşımaktadır
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Güvenilir ve düşük maliyetli kompakt
hidrojen depolamanın geliştirilmesi yakıt
pili teknolojisinin yaygın kullanımı için en
büyük sorunlardan biridir
Hidrojenin fiziksel özelliklerinden dolayı
büyük miktarlarda depolama yapmak için
büyük hacimelere ihtiyac vardır
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Hidrojenin taşıtlarda, üretim yerlerinde,
yakıt istasyonlarında ve enerji
santrallerinde depolanması gerekir
Hidrojen ağırlık olarak çok yüksek enerji
içeriğine sahiptir (benzinin 3 katı) fakat
hacimsel olarak çok düşük enerji
içeriğine sahiptir (benzinin ¼ ü)
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Hidrojen orta basınç altında ve oda
sıcaklığında sıkıştırılırsa, çok büyük bir
yakıt tankı gerekir
Araştırmacılar sıkıştırılmış gaz depolama
sistemlerinin ağırlık ve hacimlerini
azaltmaya yardımcı olabilecek hafif ve
güvenli kompozit malzemeler bulmak için
çalışmaktadır
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Sıvı hidrojen gaz hidrojenden daha küçük bir tankta depolanabilir, hidrojenin sıvılaştırılması karmaşık ve enerji olarak verimli değildir
Sıvı hidrojen ayrıca ısıya karşı aşırı duyarlıdır ve hatta birkaç derece ısıtıldığında anlamlı olarak genişler, bu yüzden tank izolasyonu gereklidir
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Hidrojen sıkıştırıldığında ve cryogenic
olarak dondurulduğunda çok az hacim
kaplar, küçük bir tank yeterlidir fakat çok
düşük sıcaklıkta tutulmalıdır (-120 ile -
196 derece Celsius)
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Bilim adamları malzeme tabanlı depolama üzerinde çalışyorlar Oda sıcaklğında ve düşük basınçta hidrojen
atomlarının veya moleküllerinin diğer elementlerle birleştirerek küçük hacimde büyuk miktarda hidrojenin saklanması
Bu teknoloji çok umut verici olmakla birlikte kapasite, maliyet, yaşam döngüsü etkileri ve hidrojenin serbest bırakılması ile ilgili problemlerin üstesinden gelmek için daha fazla araştırmaya ihtiyac vardır
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Hidrojenin taşıtlar için alternatif yakıt
olarak düşünülmesinden dolayı bilim
adamları araştırmlarını taşıtlarda
depolama üzerinde yoğunlaştırmıştır
Bilim adamları performans ve maliyet
açısından benzin yakıt depolama
sistemlerine rakip olabilecek bir teknoloji
geliştirmeye çalışmaktadır
Hidrojen Nasıl Depolanır?
Mevcut depolama teknolojisini kullanarak
500 km sürüş menzili sağlamak için
gerekli olan depo mevcut bagaj ebatlarını
büyütmektedir
Büyük depo araba toplam ağırlığını
arttırdığından yakıt ekonomisini
azaltmaktadır
Yakıt Pili Teknolojisı
Nerelerde Kullanılabilir?
Ulaşım - Taşımacılık
Elektrik Santralleri
Telekominikasyon
Mikro Güç
Yakıt Pili Teknolojisı
Nerelerde Kullanılabilir?
Ulaşım Bütün büyük otomobil üreticileri
yakıt pilli otomobilleri piyasaya sürmek için çalışmaktadır
Otomobil üreticileri ve uzmanlar yakıt pilli araçların 2020 yılına kadar piyasaya sürüleceğini tahmin etmektedir
50 yakıt pilli otobüs hali hazırda Kuzey ve Güney Amerika, Avrupa, Asya ve Avustralya'da kullanılmaktadır
Tren uçak, tekne, scooter, forklift ve hatta bisiklet yakıt hücresi teknolojisinden yararlanmaktadır
Yakıt Pili Teknolojisı
Nerelerde Kullanılabilir?
Elektrik Santralleri
Telekom
Mikro Güç
Yakıt Pili Teknolojisinin
Faydaları
Güvenlik
Güvenilirlik
Verimlilik
Cevreci
Pil Değiştirme / Alternatif
Askeri Uygulamalar
Yakıt Pili Teknolojisinin
Faydaları
Verimlilik
Enerji üretmek için yakıt yakılmadığından
temel olarak daha verimlidir
Ayrıca yakıt pili ısı ürettiğinden bu ısı enerji
üretiminde kullanılabilir
Buna Kojenerasyon denir
Yakıt Pili Teknolojisinin
Faydaları
Verimlilik
Benzinli motorlarda benzinin sağladağı kimyasal
enerjinin çevriminde verimlilik %20 den azdır
Yakıt Pilli motorlar çok daha verimlidir . Hidrojen
enerjisinin % 40-60’nı kullanırlar.
Yakıt pilli taşıtlar yakıt tüketimini %50 azaltırlar
Yakıt pilli motorlu taşıtlar içten yanmalı motorlu
taşıtlara göre 3 kat daha fazla verimli dir
Yakıt Pili Teknolojisinin
Faydaları?
Çevreci
Yakıt pilleri bugün için hava kirliliğini azaltma
ve gelecekte ortadan kaldırma imkanı
sunumaktadır
Yakıt Pili Teknolojisinin
Faydaları?
Yakıt pilli taşıtların çevreci faydaları
Hidrojen depolanmış yakıt pilli taşıtlar
geleneksel anlamda SIFIR KİRLİLİK
üretmektedir
Yakıt pilli taşıtlarda yan ürün olarak açığa
cıkan yanlızca ısı ve sudur
Yakıt Pili Teknolojisi
Zorlukları
Maliyet
Yakıt pillerinin maliyeti geleneksel
teknolojiler ile rekabet edebilmesi için
azaltılmalıdır
Konvansiyonel içten yanmalı motorların
maliyeti $ 25/kW - $ 35/kW dır yakıt pili
sisteminin rekabetçi olabilmesi için
maliyetinin $ 30/kW $ olmalıdır
Yakıt Pili Teknolojisi
Zorlukları
Dayanıklılık ve güvenilirlik Yakıt pili sistemlerinin dayanıklılığı henüz
yeterince sağlanamamıştır
Otomobilde dayanıklılık standardı yaklaşık
150.000 mil dir
Sabit sistemlerde pazar kabulu için gerekli
olan -35 – 40 C derece sıcaklık aralığında
güvenilir olarak 40.000 saat çalışmadır
Yakıt Pili Teknolojisi
Zorlukları
Sistem Boyutu
Mevcut yakıt pili sistemlerinin ağırlık ve
büyüklüğü özellikle otomobillerde yaygın,
kullanımı için azaltılmalıdır
Sonuç
Gelecek vaadeden teknoloji
Yakın gelecekte niş pazar için çok uygun
Pazarda yaygın olarak kabul ve kullanımı
hala uzun yıllar uzakta