Rapor 2

İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER………………………………………………………………………………1 ÖZET….……………………………………………………………………………………...2 ŞEKİLLER LİSTESİ………………………………………………………………………..3 SEMBOLLER……………………………………………………………………………….4 1-GİRİŞ……………………………………………………………………………………….5 2-KURAMSAL TEMELLER………………………………………………………………..7 2.1.Tarihçe…………………………………………………………………………….7 2.2.DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)……………………………………………..8 2.3.DMFC çalışma prensibi………………………………………………………….8 2.4.DMFC nin diğer yakıt hücrelerine göre avantajları…………………………..10 2.5.Metanolün özellikleri …………………………………………………………..10 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 3.1. Sülfona Polistiren 3.2. Membran Hazırlanması 3.2.1. Sülfona polistiren hazırlanması 3.2.2. Membran hazırlanışı 3.3. Deneyler Sırasında Uygulanan Değişik Yöntemler. 3.3.1. yarı mamüle Amberlyst 15 ilavesi 3.3.2. membran hazırlama yöntemleri 3.4. İletkenlik Ölçümleri 3.4.1. Amberlyst 15 3.4.2. Sülfona polistiren 3.4.3. Kompozit membran 3.4.3.1. Sandviç model 3.4.3.2. karşım pellet 3.4.3.3. homojen kompozit membran 4-SONUÇ ve YORUMLAR………………………………………………….12 5-KAYANAKLAR…………………………………………………………………………..13 6-EKLER

ÖZET İnsanoğlu son yüzyıl içinde zamanla ve mekânla yarışır hale gelmiştir. Bu yarışta da en büyük ihtiyacı enerji olmuştur. Enerji ihtiyacını kapatmak için her zaman büyük yatırımlar yapılmış ve mevcut enerji kaynaklarının potansiyellerinin ve verimliliklerinin arttırılması yoluna gidilmiştir. Bunun yanında mevcut doğal enerji kaynaklarındaki hızlı azalış insanoğlunu yeni, verimli ve uzun ömürlü aynı zamanda da Dünyaya verdiğinden fazlasını götürmeyen enerji kaynaklarına yönelmiştir. Bu noktada karşımıza, uzun süredir çalışmalar konu olmasına rağmen halen gelişimini tamamlamamış olan yakıt hücreleri karşımıza çıkar. Bu güne kadar geliştirilen yakıt hücreleri ileride geliştirilecek olan yakıt hücreleri hakkında bize ışık tutmakta ve umut aşılamaktadır. Raporun ilk kısmında yakıt hücreleri, membranlar ve kompozit membranlar ile ilgili genel teorik bilgiler verilmektedir. Genelden özele doğru; kompozit membranlar dan ve üzerinde çalışılmış olunan amberlyst 15 destek maddeli kompozit membran incelenmiştir. Raporun ikinci kısmında ise üzerinde çalışılan membranın sentezi ve hazırlanışı üzerinde durulmuştur. Raporda son kısımda ise; Amberlyst 15 ve hazırlanan membran ile yapılmış olan deneylere yer verilmiştir.

ŞEKİLLER LİSTESİ Sayfa Şekil 1:

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

SEMBOLLER

DMCF

Direct Methanol Fuell Cell

PEM

Polimer Exchange Membrane

PEMFC

Polimer Exchange Membrane Fuel Cell

PSS

Polistiren sülfonat

PEMFC: Proton değişim zarlı yakıt hücresi; AFC: Alkali yakıt hücresi; DMFC: Direkt metanol yakıt hücresi; PAFC: Fosforik asit yakıt hücresi; MCFC: Erimiş karbonat yakıt hücresi; SOFC: Katı oksit yakıt hücresi

1-GİRİŞ Endüstri devrimi ile 1750 yılından bu yana, teknik yeniliklere dayalı olarak dünya genelinde ekonominin gelişmesi, peş peşe beş ayrı dalgalanma biçiminde sürmüştür. 17501825 yılları arasındaki birinci dalgalanmanın baş enerji kaynağı kömürdür. 1825-1860 arasındaki ikinci dalgalanmada, ekonomiye ivme kazandıran elektrik olmuştur. 1860-1910 yılları arasındaki üçüncü dalgalanmada elektrik etkisini sürdürmüş, ama yeni kaynak olarak petrol ortaya çıkmıştır. 1910-1970 arasındaki dördüncü dalgalanmada ekonomiyi büyüten yeni enerji kaynağı nükleer enerjidir. Simdi 1970'lerde başlayan 21. yüzyılın neresinde biteceği henüz bilinmeyen yeni bir dalgalanma içindeyiz. Bu yeni dalgalanmayı etkileyen enerji türü hidrojendir. Günümüzde Dünyanın enerji ihtiyacının yaklaşık %80’i milyonlarca yılda oluşan fosil kökenli kaynaklardan sağlanmaktadır. Bu kaynakların yeryüzünde artan enerji talebi karşısında yaklaşık 100 yıl gibi bir süre sonunda tamamen biteceği tahmin edilmektedir. Bu gerçek tüm dünya tarafından bilinmektedir. İşte bu yüzden güçlü ülkeler bir taraftan, yasal olmayan yöntemlerle, var olan enerji kaynaklarını etkisi altına almak için, bu kaynaklara sahip ülkeleri etki altına almaya çalışırken, diğer taraftan yeni enerji kaynakları yaratabilmek için araştırmalara milyarlarca dolar bütçe ayırmaktadır. Yeni enerji kaynaklarına yönelmenin önemli ve yadsınamaz diğer bir nedeni ise, fosil kökenli yakıtların yanması sonucu oluşan emisyonların, doğanın ekolojik dengesini bozmasıdır. Bu iki önemli nedenden dolayı dünya ülkeleri, enerji ihtiyacını karşılayabilmek için bir yandan enerjinin daha verimli kullanılması konusunda çalışmalar yaparken diğer taraftan rüzgar, güneş, hidrojen gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmekte ve bu alanlardaki araştırmalara bütçelerinden önemli paylar ayırmaktadır. Gelişmiş ülkeler bugün enerji ihtiyacının %5-10 arasındaki dilimini yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlamaktadırlar ve ulusal enerji planları çerçevesinde yenilenebilir enerji kaynaklarını her yıl artırarak kullanmayı hedeflemektedirler.

Türkiye’nin enerji tüketiminin önemli bir kısmını yani yaklaşık %70’ini ithal edilmektedir. Ham petrol ve doğal gaz olarak ithal edilen enerji kaynaklarını, sanayide, konutlarda ve ulaşımda kullanılmaktadır. Enerji kullanımında henüz ulusal politikalar oluşturulamamış olan Türkiye’de ithal edilen doğal gazdan olan elektrik üretimi, elektrik ihtiyacının %45’ine ulaşmış ve %60 hedeflenmektedir. Yine enerji kullanımının %40’ı konutlarda kullanılmakta ve bu enerjinin %50’si ısı yalıtım olmadığından hem atmosfer kirletilmekte hem de milyarlarca dolar sokağa atılmaktadır. Araştırma sonuçlarına göre 2015 yılından itibaren petrol ve doğalgaz üretimi düşeceği belirlenmiştir. Artan nüfus ve kalkınmakta olan memleketlerin artan ihtiyaçlarını karşılamak için gerekli yakıt göz önüne alındığında, 2015 yılından itibaren petrol ve doğalgaz üretimi ile ihtiyaç arasında bir fark olacağı anlaşılmaktadır. Yani yeni bir yakıta ihtiyaç duyuluyor. Fosil yakıtlar kullanılarak dünyadaki ortalama gelir seviyesi yükselmesine karşın fosil yakıtların çevreye verdiği zararda gittikçe artış göstermiştir. Fosil yakıtların meydana getirdiği bu problemleri görüşmek ve bunlara çözüm bulmak için 1992 yılında Rio şehrinde dünya zirvesi toplanmıştır. Bu problemler: •

İklim değişikliği

•

Karbondioksitin artması

•

Kutuplarda buzulların erimesi

•

Denizlerin yükselmesi

•

Hava kirliliği

•

Deniz kazalarında petrolün denizlere akması ve sahillere zarar vermesi.

Bu problemleri çözümü yolunda atılmış enbüyük adımlardan biri yakıt hücreleridir. Temiz, kaynağı bol, çıktı olarak da zararsız maddeler veren teknolojilerin geliştirilmesi kaçınılmaz bir gerekliliktir.

2-KURAMSAL TEMELLER

2.1.Tarihçe Yakıt hücreleri yaklaşık 150 yıldır kullanılmaktadır. İlk yakıt hücresi 1839 da sir William Robert Grove tarafından tasarlanmıştır. Onun yapmış olduğu yakıt pilinde elektrolit banyosu olarak sülfürik asit, elektrot olarak da gözenekli platin kullanılmıştır. Bu harika buluş ne yazık ki kullanılabilir düzeyde bir elektrik üretememiştir. Ludwing Mond asistanı ile birlikte 1889 da, hava ve endüstriyel kömür gazı kullanarak çalışan bir yakıt pili çalışması yapmıştır. Aynı yıllarda, William White Jaques bu teknolojiye bir isim kazandırmış ve “fuel cell” (yakıt hücresi) terimini kullanmıştır. O kendi yakıt hücresinde elektrolit banyosu olarak fosforik asit kullanmıştır. 1920’li yıllarda, Almanya da günümüzdeki karbonat dönüşümü ve katı oksit yakıt hücrelerinin temeli atılmıştır. 1932 yılında Dr. Francis T. Bacon önemli bir çalışmaya imza atmıştır. Kendisinden öncekilerin kullandığı yöntemlerdeki platin elektrot pahalı ve kullanılan elektrolit banyosundaki asitler korozif olduğundan geliştirilmesi gerekliydi. Dr. Bacon pahalı olmayan nikel elektrot ve daha az korozif olan alkalin elektrolit kullanmıştır. Çalışması 1959’a değin sürmüş ve geliştirdiği yakıt hücresi ile 5 kW‘lık üretim yapmıştır. Yapmış olduğu yakıt hücresini bir kaynak makinesinde kullanmıştır. İsmi meşhur Franchis Baco’nun gölgesinde kalmasına rağmen o,meşhur yakıt hücresine ismini vermiştir(Bacon Cell). 1959’da Hary Karl Ihring, yakıt hücresi ile çalışan ilk tekerlekli araç olan, 20 beygir gücündeki traktörü yapmıştır. 1960’lı yılların ilk yarısında, general elektrik yakıt hücresi bazlı elektrik sistemlerini NASA’nın Gemini ve Apollo uzay kapsüllerinde kullanmıştır. General elektik bu işlemi “Bacon Cell” teknolojisi ile yapmıştır. Hali hazırda uzay teknolojisinde kullanılan teknoloji

aynıdır. Diğer yandan kullanılan bu teknoloji ile mürettebatın içme suyu ihtiyacı karşılanmaktadır.” Amerikan savunma dairesinden (DARPA) Dr. Lawrance H. Dubais, Kaliforniya üniversitesinden Dr. Surya Parakash ve Dr. George A. Olah değişik hidro karbonlarla çalışabilen bir yakıt hücresi tasarladılar ve adını DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) olarak duyurdular. 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 ve Nafta)

-

Egzoz ısısı yeniden kazanılabilir.

-

Modüler yapıdadır.

-

Montaj süresi kısadır.

-

Çok yüksek miktarda soğutma suyu ( deniz suyu gibi ) gerektirmez.

-

Güvenilir bir sistemdir.

-

İşletim karakteristiği uygulamada kolaylıklar sağlar.

-

Geleceğe yönelik olarak gelişme potansiyeli oldukça yüksektir.

-

Katı atık ve gürültü problemi yoktur.

2.2. Yakıt Hücresi Çalışma Prensibi ve Türleri Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji; düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür. Yakıt hücreleri düşük gürültü seviyesinde, az kirletici ürün açığa çıkararak yüksek verimle çalışabilmektedirler, tek yan ürün saf sudur. H2; katottaki oksijenin indirgenmesiyle birlikte anotta yükseltgenir. Bunun yanı sıra yakıt hücresinde metanol, su ve CO2’ye veya CO; CO2’ye dönüşebilmektedir. Yakıt hücrelerinin en önemli uygulaması uzay araçlarında başlıca enerji kaynağı olarak kullanılmalarıdır. H2-O2 yakıt hücrelerinin insanlı uzay araçlarında kullanımı; içme ve

soğutma amaçlı olarak saf suyun üretimini sağlamaktır. Nüfusu yoğun olan bölgelerde bile yakıt hücrelerini temel alan güç istasyonları kurulabilmektedir. Yakıt hücrelerinin; düşük emisyon ve gürültü seviyeleri ile H2’nin temel enerji kaynağı olması durumundaki yüksek verimlilikleri nedeniyle yakın gelecekte önemli rol oynayacağı tahmin edilmektedir. Yakıt hücre sistemleri genellikle kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar (Şekil X), 1.

Bazik yakıt hücreleri,

2.

Erimiş karbonat yakıt hücreleri,

3.

Fosforik Asit yakıt hücreleri,

4.

Katı oksit yakıt hücreleri,

5.

Proton değişim membran yakıt.

6.

Doğrudan metanol yakıt hücresi

2.3.Yakıt Hücresi Türleri ve Çalışma Prensipleri 2.3.1.Proton değişim membran yakıt hücreleri (PEMFC) Bu sistemlerde proton geçirgen polimerik membran elektrolit olarak kullanılmaktadır. Kullanılan membranlar yaklaşık 50mm kalınlığındadır. Elektrot reaksiyonları asidik yakıt hücre sistemlerindeki gibidir. Katalizör olarak Pt içeren karbon elektrotlar proton değiştirici membranın iki yüzeyine preslenmiştir. Bir diğer yaklaşım ise hidrojeni difüzleyen ve diğer gazların geçişine izin vermeyen paladyum ya da paladyum-gümüş membranların kullanılmasıdır. Proton değişim membran yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 80-100°C’dir. H2 +2Pt  2 Pt-H 2 Pt-H 2 Pt + 2H+ + 4e-

2H2  4H+ + 4e4e- + 4H+ + O2  2H2O

anot reaksiyonu katot reaksiyonu

2H2 + O2  2H2O

hücre reaksiyonu

2.3.2.Bazik (Alkali) yakıt hücreleri (AFC) Bazik yakıt hücrelerinde KOH elektrolit olarak kullanılmaktadır (ağırlıkça 30-45%). Bu hücreler oda sıcaklığında çalışırlar ve diğer yakıt hücreleriyle karşılaştırıldıklarında daha yüksek voltaj verimi elde edilir. 2H2 (g) + 4OH- (s)  2H2O (l) + 4e-

anot reaksiyonu

O2 (g) + 2 H2O (s) + 4e- 4OH- (suda)

katot reaksiyonu

2H2 (g) + O2 (g)  2H2O (s)

hücre reaksiyonu

Bazik ortamda karbondioksit karbonata dönüştüğünden dolayı, gaz girişinde CO 2 bulunmasına izin verilmemektedir. Poroz nikel anot ve katotla kullanılmaktadır. Bazı uygulamalarda Pt katalizör elektrotlar üzerine konularak kullanılmaktadır. Bazı hücreler yaklaşık 200°C’de ve yüksek basınçlarda çalışabilmektedir. AFC sistemleri uzay gemilerinde, elektrikli araçlarda ve denizaltılarda

kullanılmaktadır.

ulaşılabilmektedir.

Kullanılan

Bu pahalı

tür

yakıt

hücrelerinde

katalizörlerden,

uzun

hidrojenin

çalışma

ömrüne

sıvılaştırılması

ve

sıkıştırılması için ekstra enerji tüketiminden ve saf hidrojenin pahalı olmasından dolayı bu tür yakıt hücreleri yüksek maliyetlidir. 2.3.3.Erimiş karbonat yakıt hücreleri(MCFC) MCFC sistemlerinde elektrolit olarak LiAlO2 matrisi üzerine tutuklanmış erimiş lityum-potasyum karbonat karışımı kullanılmaktadır. Sistemde meydana gelen reaksiyonlar: H2 (g) + CO2- 2  CO2 (g) + H2O + 2e1/2O2 (g) + CO2 (g) + 2e-  CO2- 3 2H2 (g) + 1/2O2 (g)  H2O

anot reaksiyonu katot reaksiyonu hücre reaksiyonu

Bu tür yakıt hücre sistemlerinin çalışma sıcaklığı 500–700°C arasındadır. Bu sıcaklıklarda elektrotları aktifleyen Pt gibi katalizörler kullanılmaktadır. Hidrokarbonlar yakıt

olarak kullanıldıklarında hücreye direk olarak beslenirler ve burada hidrojen içeren gazlara dönüşürler. Yakıt hücresinin dayanımı önemli bir problemdir. Hücrenin yapımında kullanılacak düşük maliyetli materyallerin bulunması da karşılaşılan önemli bir zorluktur. 2.3.4.Fosforik asit yakıt hücreleri(FAFC) Bu hücrelerde ince silikon karbür matris içindeki fosforik asit elektrolit olarak kullanılmaktadır. Asidik ortamda meydana gelen reaksiyonlar: H2 (g)  2H+ (suda) + 2e1/2O2 (g) + 2H+ (suda) + 2e-  H2O 2H2 (g) + 1/2O2 (suda)  H2O

anot reaksiyonu katot reaksiyonu hücre reaksiyonu

Kullanılan elektrolit kararlıdır ve bu hücreler karbondioksit içeren hava ile de çalışabilirler. Sistemin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 170–200°C arasındadır. Oldukça yüksek çalışma sıcaklıkları katalizörlerin CO ile zehirlenmesini azaltır. Sistem oldukça düşük maliyetlidir ve yaklaşık olarak 40000 saat çalışma ömrüne ulaşılabilir. 2.3.5.Katı oksit yakıt hücreleri(SOFC) Bu tür yakıt hücrelerinde elektrot ve elektrolit arası kararlı itriyum oksit ya da zirkonyum gibi katı oksit seramik bir materyalden yapılmıştır. Bu materyaller 800°C’nin üstünde O2- iyonlarını iletirler. Eğer hücre 900°C civarında çalışıyorsa meydana gelen reaksiyonlar: aH2 (g) + bCO (g)+ (a+b) O2-  bCO2 (g) + aH2O + 2(a+b) e-

anot reaksiyonu

½(a+b) O2 (g) + 2(a+b) e-  (a+b) O2-

katot reaksiyonu

½(a+b) O2 (g) + aH2 (g) + bCO (g)  aH2O(g) + bCO2 (g)

hücre reaksiyonu

2.3.6.Doğrudan Metanol Yakıt Hücresi (DMFC) DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), metanol ve havanın özel bir tarzda yanmasından ortaya çıkan termodinamik potansiyelin kullanımıyla çalışır. DMFC elektriği hareketli parçacıklar yardımı ile değil de kimyasal bir proses yardımı ile üretmektedir. Elektrik

üretiminde yanmaya veya yakıt stokunun ayarlanmasına gerek duymaz. Aynı zamanda gaz halde hidrojen üretmeye de gerek yoktur. Bu ihtiyaç hali hazırda PEM tarafından gerçekleştirilmektedir. DMFC yi geleneksel pillerden ayıran nokta enerji depolayıcı olmayıp direkt enerji üretici olmasıdır. Aynı zamanda sadece metanol ve hava verilmeye devam edildiği sürece enerji üretmeye devam edecektir. Tekrar şarj edilmeye ihtiyaç duymaz. DMFC’de termodinamik potansiyel; sadece belirli kimyasal özelliklerin geçmesine izin veren bir polimer elektrolit membran sayesinde oluşturulmaktadır. Bu membranın bir tarafında metanol ve su karışımı bir anot katalizöre beslenmektedir. Bu katalizör, metanol molekülünü hidrojen ve karbondioksite ayrıştırmaktadır. Ayrılan hidrojenler elektronlarını bırakırlar ve hidrojenler elektronları olmaksızın zardan katoda geçerler. Katot kısmında protonlar ( elektronları anotta kalan hidrojenler) havanın içindeki oksijenle tepkimeye girerler. Burada bir elektronu eksik su oluşmaktadır. Bu eksik elektron iletken bir tel yardımı ile anottan katoda doğru akar. Akan elektronlar hidrojenin bırakmış olduğu elektronlardır. Böylece oluşan eksik tür tamamlanır. Termodinamik açıdan elektronlar katoda belirli bir sayıda geçmek istemektedir. Buna açık devre voltajı denilir. Açık devre voltajı voltmetre ile ölçülebilmektedir. Metanol ve oksijenin tepkimeleri sistem dengeye erişinceye dek sürecektir buda membranın iki tarafındaki enerjilerin eşitlendiği noktadır. Bu noktada enerji üretilemeyecektir. Kullanılabilir enerji ancak membranın karşı tarafının voltajını eşdeğer noktanın altında tutmakla üretilebilir. Bunu sağlamak için anot ile katodu birleştiren telin üzerine akımın geçebileceği zayıf bir ısıtıcı konulur. Böylece orada küçük bir voltaj farkı oluşturulur. Zaten daha fazla bir voltaj farkı ile daha fazla bir enerji sağlanamaz. DMFC de gerçekleşen tepkime CH3OH+ 3/2 O2 CO2+2H2O

Şekil 1: DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

Tabloxxx Hücre Özellikleri Polimer Elektrolit Elektrolit

Membran İyon değiştirici

Çalışma sıcaklığı (°C) Yük taşıyıcı Elektolit şekli Hücre donanımı Katalizör Yakıt hücresi verimi %

membran 80 H+ Katı Karbon-metal Platinyum <40

Yakıt Hücresi Türü Fosforik asit Karbonat Fosforik asit

Katı oksit

Bazik karbonat itriyum oksit ya

karışımı 200 650 + H CO3= İmmobilize sıvı İmmobilize sıvı Grafit Paslanmaz çelik Platinyum 40-45 50-60

da zirkonyum 1000 O= Katı Seramik 50-60

ŞEKİL 2. HİDROJEN ÜRETİMİ Dünya enerji ihtiyacı çok hızlı bir şekilde artmaktadır. “Avrupa Dünya Enerji Teknolojisi ve Çevre Politikaları Genel Bakışı” (WETO) 2000–2030 yılları arasında dünya çapında birincil enerjide büyüme hızını yılda %1.8 olarak hesaplamıştır [1]. Bu artan talebin tükenmekte olan fosil yakıtlar tarafından karşılanması durumunda, dünya iklimini etkileyecek gaz emisyonlarının ve diğer kirleticilerin artacağı düşünülmektedir. Halen kalkınmakta olan ülkelerin CO2 emisyon seviyesine katkısı, sanayileşmiş olan ülkelerinkinin %20’sidir. Kalkınmakta olan ülkelerin sanayileşmesiyle bu oran artacaktır. Bu nedenle, sanayileşmiş ülkelerin yeni enerji sistemlerinin geliştirilmesinde önderlik etmesi gereklidir. Halen kullanılan fosil yakıtlar, özellikle de petrolün, dünyada sadece belirli bölgelerde bulunması enerji ihtiyacının karşılanmasını politik, ekonomik ve ekolojik faktörlere bağlamaktadır. Bu faktörler yakıt fiyatlarının etkilemekte ve dünya üzerindeki enerji kullanımında eşitsizliğe yol açmaktadır. Dünya üzerindeki enerji talebini karşılayacak yakıt üretimi, aktarımı, dağıtımı ve enerji dönüşümünü bir döngüye bağlayacak, üreticilere ve tüketicilere olan etkisinin de dikkate alındığı, tutarlı bir enerji stratejisi oluşturulmalıdır. Yakın gelecekte, ülkeler kendi yerel enerji kaynaklarının, özellikle de yenilenebilir enerjinin, artan bir verimle kullanılmasını

amaçlamalıdır.

Uzun dönemde ise, hidrojene dayalı bir ekonomi bütün sektörleri

etkileyecektir.

ENERJİ KAYNAKLARI Fosil Yakıtlar Kömür Doğalgaz

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Biyokütle

Güneş

Gazlaştırma

Rüzgar

Hidrolik

Termoliz

Nükleer Jeotermal

Elektrik

Isı

Elektroliz

HİDROJEN IC motorları

FC motorları Taşıma

Yakıt Hücreleri Üçüncül Ticari Yerel sanayi Binalar

Çoklu üretim

Prosesler, sentezler

Türbinler, IC motorları

Endüstri

UYGULAMA ALANLARI Şekil 1 . Hidrojen : öncelikli enerji kaynakları , enerji dönüştürücüler ve uygulamaları

YAKIT TÜRÜ

SOFC

MCFC

PAFC

Biyogaz, biyokütle, doğalgaz, benzin, kömür REFORMER PEMFC

Metanol, Etanol DMFC

AFC

PEMFC

Hidrojen

MOBİL

YAKIT HÜCRELERİ ULAŞIM

KARA

DENİZ

SABİT HAVA

EVLERDE

SANAYİDE

UYGULAMA ALANLARI Şekil 2. Yakıt Hücresi Teknolojileri, Uygun Yakıtlar ve Uygulamaları Hidrojen, kömür veya biyogaz gibi birincil enerji kaynağı değildir. Hidrojen, birincil enerji kaynaklarından üretilen bir enerji taşıyıcıdır. Şekil 1’de enerji kaynakları dönüşümü ve uygulamaları gösterilmektedir. Bu nedenle yakın dönemde, mevcut enerji sistemi temel alınarak yaygın birincil enerji taşıyıcıları ve kaynaklarından üretilmektedir. Uzun dönemde ise sürdürülebilir enerjiye ulaşabilmek için, yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilmelidir. Fosil yakıtlardan gazlaştırma ve reforming ile hidrojen üretimi teknolojisi yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Hidrojen elektroliz ile sudan üretilebilmektedir. Elektroliz için

gerekli olan elektrik güneş pilleri, hidrolik ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından olacağı gibi nükleer elektrik de bu amaçla kullanılabilir. Hidrojen taşımacılıkta, binalarda ve sanayide kullanılacaktır. Şekil 1 ve 2’de görüldüğü gibi, yakıt pilleri hidrojenin kullanımında önemli bir yer tutmaktadır.Yakıt hücresi sistemleri taşınabilir şekilde kullanılabildiği gibi ulaşımda ve sabit uygulamalarda da kullanılması planlanmaktadır. Şekil 2’de değişik yakıt hücresi teknolojileri, olası yakıtlar ve uygulamaları gösterilmektedir. 2.3. Yakıt hücresi ekipmanları Bir yakıt hücresi; Elektrot, membran ve yakıt olmak üzere başlıca üç unsurdan meydana gelmektedir. Aşağıdaki şekilde genel hatları ile bir yakıt hücresi gösterilmektedir.

Şekil xxx

2.4. Yakıt hücresi membranları 2.4.1. Yakıt hücresi membranları özellikleri Yakıt Hücresi Membranlarında Bulunması Gerekli Özellikler

•

Membran protonlara karşı geçirgen olmasına karşın elektronları iletmemeli,

•

Su, yakıt (hidrojen,metanol vs.), oksijen ve havadaki diğer gazları geçirmemesi,

•

Mekanik dayanımının yüksek olması,

•

Uzun süreli kullanımda ısıl ve kimyasal direnci yüksek,

•

Teknolojik olarak yaygın bir şekilde kullanılabilmesi için emniyetli ve ucuz olması gerekmektedir.

Proton değişim yakıt hücrelerinde kullanılan membranların yüksek verimle çalışabilmeleri için su ile tamamen doyurulmuş olmaları gerekmektedir. Yapılan çalışmalarda membranın tam doygun olduğu zaman yüksek iyonik iletkenliğe ulaşıldığı görülmektedir.

2.4.2. kompozit membranlar 2.4.3 Amberlyst 15

Tabloxxx Amberlyst 15 Fiziksel özellikleri Catalyst A-15

Asidite Sg Vg (eq H+ / kg) (m2/g)a (cm3/g)b 4.81 42 0.36

a

Sg (m2/g)c 157

Vg (cm3/g)c 0.632

dpore (Å) db (mm)d Tmax (ºC) 343

0.74

BET metodu. b N2 nin 77 K de adsorpsion–desorpsion ile tespit edilmiştir. şişirilmiştir (ISEC metodu).d endüstriyel ürünün elenmesi ile tespit edilmiştir.

2.5. İletkenlik tayini 2.6. yakıt hücresi verimlilik kontrolü

3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 3.1. Sülfona Polistiren

120 c

su ile

Deneyler sırasında Pektim den temin edilen (PS/A-825.E) seri numaralı saf polistiren kullanılmıştır. 3.2. Membran Hazırlanması 3.2.1. Sülfona polistiren hazırlanması Membran hazırlanışına geçilmeden önce sülfolanmış polistiren yarı mamulün sentezlenmesi gerekmektedir. Bu işlem için; 10 gr polistiren numunesi 50 ml 1,2 dikloroetan ile 55 oC de çözülmüştür. Aynı sıcaklıkta 10 ml 1M sülfürik asit, 10 ml 0.1 M Asetik anhidrit karışımı hazırlanmış ve daha önce hazırlanmış olan polistiren çözeltisi büret yardımı ile damlatılmak suretiyle yaklaşık 45 dakika süre ile karıştırılmıştır. Sülfonasyon işlemi 1 saat sonunda 15 ml 1M 15 ml metanolle sona erdirilmiştir. Bu işlem de damla damla gerçekleştirilmiştir. Oluşan viskoz sıva atmosfer basıncında fırınlanarak 80 oC de kurutulmuştur. Yarı mamul olarak elde edilen kalıp değişik yöntemlerle yakıt hücresinde kullanılabilecek hale getirilmeye çalışılmıştır. 3.3. Membran Hazırlanışı Sırasında Uygulanan Değişik Yöntemler. 3.3.1. Yarı Mamule Amberlyst 15 İlavesi Amberlyst 15, membrana destek madde olarak ilave edilmiştir. İlave işlemleri değişik yöntemlerle denenmiştir. Membran hazırlanmadan önce yarı mamul ve Amberlyst 15 ön işleme tabi tutulmaktadır. Ön işlemler sırasında yarı mamulü çözmek için N,Ndimetilformamid ağırlıkça 1/10 oranında kullanılmıştır. Amberlyst 15 hazırlanışı sırasında %99,9 lik metanol 1gram Amberlyst 15 ‘e karşılık 60 ml lik. Hacimle kullanılmıştır. 3.3.2. Membran Hazırlama Yöntemleri Elde edilen çözeltilerle uygulanan işlemler: 3.3.2.1.Doğrudan İlave 1 gram Amberlyst 15, 60 ml metanol içerisinde çözülmüştür. Elde edilen çözelti, 50 oC de N,Ndimetilformamid içerisinde ağırlıkça 1/10 oranın da çözünen yarı mamul içerisine yavaş yavaş ilave edilerek yeni bir karışım elde edilmiş ve karıştırma işlemi ile

çözeltinin homojen olması sağlanmıştır. Elde edilen homojen çözelti ile iki ayrı membran hazırlanmıştır. •

Elde edilen çözelti temiz bir cam üzerine homojen bir kalınlıkta yayılıp 80 oC de vakum fırında 1 saat fırınlanmıştır. Fırından çıkarılan membran 24 saat bekletildikten sonra 70 oC de su banyosuna daldırılıp, camın arka yüzünden soğuk su ile şoklama yapılmış ve membranın cam yüzeyinden ayrılması sağlanmıştır.

•

Doğrudan ilave yöntemi ile hazırlanan ilk çözeltiye hacimce 10/1 oranında gliserin ilavesi ile membranın daha da esnek olması sağlanmıştır.

•

Cam yüzeyden ayrılan membran havanda ezilip toz haline getirildikten sonra 2 cm çaplı pellet kalıbı yardımı ile değişik kalınlıklarda basılmıştır.

•

Cam yüzeye yayılan doğrudan ilave çözeltisinin polietilen bir yüzeye yayılması membran hazırlama işlemini kolaylaştırdığı görülmüştür.

3.3.2.2. İkili birliktelik Doğrudan ilave yöntemindeki yarı mamulün çözünmesi işlemi ile başlanmıştır. Elde edilen çözelti cam yüzeyde aynı işlemlerle membran haline getirilir. Bu işlem sonunda elimizde sülfolanmış polistiren membran olur. Doğrudan ilave yöntemi dışında uygulanan ikinci bir yöntem ise pellet basma olmuştur. Pellet basma işlemi 5 ile 10 ton aralığında değişik yüklerde denenmiştir. Pellet kalınlığının genel bir ifade ile madde miktarına bağlı değiştiği tespit edilmiştir. •

Amberlyst 15 2 cm çapındaki kalıp ile değişik kalınlıklarda basılmıştır. Elde edilen pelletler üzerine fırça ile sürülür. Deneyler sırasında bu işlemin başarısız olduğu gözlemlenmiştir.

•

Daha önce hazırlanmış olan sülfona polistiren 2 membran arasına, Amberlyst 15 2 cm çapındaki kalıp ile değişik kalınlıklarda basılmıştır. Bu işlem sırasında 8 ton yükün uygun değer yük olduğu tespit edilmiştir.

•

Elde edilen sülfona polistiren membran havanda ezilerek homojen bir şekilde Amberlyst 15 ile karıştırılarak değişik kalınlıklarda pellet halinde basılmıştır.

•

Elde edilen polistiren çözelti Amberlyst 15 ile hamur haline getirilip elde elden hamur cam yüzeyde 80 oC de fırınlanarak veya hazırlanan hamur içindeki çözeltilerin uzaklaşması için 3 saat kadar beklenildikten sonra pellet halinde basılmıştır.

3.4. İletkenlik Ölçümleri 3.4.1. Amberlyst 15 3.4.2. Sülfona polistiren 3.4.3. Kompozit membran 3.4.3.1. Sandviç model 3.4.3.2. karşım pellet 3.4.3.3. homojen kompozit membran 7. KAYNAKLAR 1.

http://europa.eu.int/comm/research/energy/pdf/hydrogen_summary_report.pdf