T.C.
NİĞDE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
DOĞRUDAN METANOL YAKIT PİLLERİNİN ELEKTRONİK KONTROLÜ
ALİ BOZAY
Mart 2014 YÜKSEK LİSANS TEZİ A. BOZAY, 2014NİĞDE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
T.C.
NİĞDE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
DOĞRUDAN METANOL YAKIT PİLLERİNİN ELEKTRONİK KONTROLÜ
ALİ BOZAY
Yüksek Lisans Tezi
Danışman
Yrd. Doç. Dr. Yasemin ALTUNCU Yrd. Doç. Dr. Fuat KARAKAYA
Mart 2014
ÖZET
DOĞRUDAN METANOL YAKIT PĠLLERĠNĠN ELEKTRONĠK KONTROLÜ
BOZAY, Ali Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
DanıĢman :Yrd. Doç. Dr. Yasemin ALTUNCU Ġkinci DanıĢman :Yrd. Doç. Dr. Fuat KARAKAYA
Mart 2014, 78 sayfa
Bu tez çalıĢmasında doğrudan metanol yakıt pilinin (DMYP) çalıĢabilmesi için gerekli parametreler belirlenmiĢ, elektronik kontrol kartı tasarlanmıĢ ve gerçekleĢtirilmiĢtir.
GerçekleĢtirilen kontrol kartında merkezi iĢlem birimi olarak PIC 16F877A mikrodenetleyicisi kullanılmıĢ ve Assembly dili ile kontrol programı yazılmıĢtır. Yakıt pili sisteminden 3 Volt 30 Watt çıkıĢ verebilen 10 hücreli doğrudan metanol yakıt pili hücre grubu kullanılmıĢ, DC/DC çevirici ile çıkıĢ gerilimi 12 Volta yükseltilmiĢtir.
GerçekleĢtirilen doğrudan metanol yakıt pilinin verimini etkileyen parametreler farklı durumlar için incelenmiĢtir. Yapılan deneyler ile doğrudan metanol yakıt pilinin (DMYP) yüksek verimle çalıĢması için parametre değerlerinin ne olması gerektiği ayrı ayrı belirlenmiĢtir.
Anahtar Sözcükler: Doğrudan Metanol Yakıt Pili (DMYP), Mikrodenetleyici, Elektronik kontrol
SUMMARY
ELECTRONIC CONTROL OF DIRECT METHANOL FUEL CELLS .
BOZAY, Ali Nigde University
Graduate School of Natural and Applied Science Department of Electrical Electronic Engineering
Supervisor : Assistant Professor Dr. Yasemin ALTUNCU Co-Advisor :Assistant Professor Dr. Fuat KARAKAYA
March 2014, 78 pages
In this thesis, the desired parameters for working of Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) were determined and also electronic control card of the DMFC was designed. In order to control DMFC, PIC 16F877A microprocessor was used as a central process unit and desired program was written by using Assembly programming language. The fuel cell which has 10 direct methanol cell and 3 Volt 30 Watt output was used and then the output voltage was increased to 12 Volt by using DC to DC converter.
The efficiency parameters for designed DMFC were investigated for different cases.
Thus, the best working parameter values for DMFC‟s high efficiency operation were determined one by one.
Keywords: Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), Microprocessor and Electronic Card.
ÖNSÖZ
Doğrudan metanol yakıt pilleri bir buhar kazanı veya türbin kullanmadan kullandıkları yakıtın enerjisini doğrudan elektrokimyasal yolla elektrik enerjisine çevirebilen cihazlardır. Özellikle fosil yakıtlara ihtiyaç duymamaları ve tepkime sonucu atık olarak su, ısı ve CO2 açığa çıkarmaları son zamanda yakıt pillerini çok cazip hale getirmiĢtir.
Yapılan bu tez çalıĢmasında 3 Volt gerilim ve 30 Watt güç verebilen 10 hücreli doğrudan metanol yakıt pili hücre grubunun elektronik kontrolü gerçekleĢtirilmiĢtir. Bu kapsamda öncelikle yakıt pili hücre grubu için yardımcı elemanlar belirlenmiĢ, kontrol kartı tasarlanmıĢ, parametreler belirlenerek algoritma oluĢturulmuĢ, mikdodenetleyici yazılımı yazılmıĢ ve yakıt pili sistemi çıkıĢından 12 Volt verecek Ģekilde çalıĢtırılmıĢtır.
Ayrı ayrı yapılan deneyler ile yakıt pilinin verimini etkileyen parametreler belirlenmiĢtir. Yapılan deneylerde yakıt pili hücre grubunun ısısının verimi önemli ölçüde etkilediği belirlenmiĢ, ısı arttıkça çıkıĢ akımı ve geriliminin de arttığı saptanmıĢtır. GerçekleĢtirilen yakıt pili iki gün süre ile LED Ģerit lambaya bağlanarak çalıĢtırılmıĢ ve veriminde önemli bir düĢüĢ gözlenmemiĢtir.
Bu tezin hazırlanması sürecinde beni yönlendiren, teĢvik eden ve gerek teknik bilgi gerekse de doküman konusunda desteğini esirgemeyen değerli danıĢmanım Sayın Yrd.
Doç. Dr. Yasemin ALTUNCU ve Yrd. Doç. Dr. Fuat KARAKAYA‟ya en içten teĢekkürlerimi sunarım. Yüksek lisans tez çalıĢmam esnasında yardımlarını benden hiç esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. Selahattin ÇELĠK‟e çok teĢekkür ederim.
Bu tez çalıĢmam boyunca bana maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen babam Hüseyin BOZAY‟a, annem Engül Bozay‟a, kardeĢim Dilek BOZAY‟a, çalıĢmalarım boyunca sürekli yanımda olan ve beni destekleyen eĢim Nurhan BOZAY‟a ithaf ediyorum.
ĠÇĠNDEKĠLER
ÖZET ... i
SUMMER ... ii
ÖNSÖZ ... iii
ĠÇĠNDEKĠLER DĠZĠNĠ ... iv TABLOLAR DĠZĠNĠ ... vii
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ... viii
BÖLÜM I. GĠRĠġ ... 1
1.1 GiriĢ ... 1
1.2 Tezin Amacı ... 4
1.3 Literatür Taraması ... 4
BÖLÜM II. YAKIT PĠLĠ ... 11
2.1 Yakıt Pili ... 11
2.2 Yakıt Pilinin Avantajları ve Dezavantajları ... 12
2.3 Yakıt Pili ÇeĢitleri ... 12
2.3.1 Alkali yakıt pili (AFC) ... 13
2.3.2 Polimer elektrolit membranlı yakıt pili (PEMFC) ... 13
2.3.3 Fosforik asit yakıt pili (FAFC) ... 14
2.3.4 ErimiĢ karbonatlı yakıt pili (EKFC) ... 14
2.3.5 Katı oksit yakıt pili (KOFC) ... 15
BÖLÜM III. DOĞRUDAN METANOL YAKIT PĠLLERĠ ... 16
3.1 Doğrudan Metanol Yakıt Pili ... 16
3.2 Doğrudan Metanol Yakıt Pilinin ÇalıĢma Prensibi ... 19
3.3 Doğrudan Metanol Yakıt Pilinin Kullanım Alanları ... 20
3.4 Metanolün Yapısı ve Özellikleri ... 22
BÖLÜM IV. DOĞRUDAN METANOL YAKIT PĠLĠNĠN ELEKTRONĠK KONTROLÜ ... 25
4.1 Doğrudan Metanol Yakıt Pili Kontrol Kartının Tasarım AĢamaları ... 25
4.2 Doğrudan Metanol Yakıt Pilinde Kullanılan Yardımcı Elemanlar ... 26
4.2.1 Yakıt pompası ... 27
4.2.2 Hava pompası ... 27
4.2.3 Sirkülasyon (Devirdaym) pompası ... 28
4.2.4 Yakıt tankı ... 28
4.2.5 Yakıt, hava ve ısı sensörleri ... 29
4.2.6 Kontrol kartı ... 30
4.2.7 DC/DC çevirici ... 31
4.3 Mikrodenetleyiciler ve PIC ... 31
4.3.1 PIC mikrodenetleyicileri ... 33
4.3.2 PIC16F877A‟nın özellikleri ... 34
4.3.3 PIC16F877A portlarının fonksiyonları ... 34
4.3.3.1 Port A ... 34
4.3.3.2 Port B ... 35
4.3.3.3 Port C ... 35
4.3.3.4 Port D ... 36
4.3.3.5 Port E ... 36
4.3.4 Analog/Sayısal çevirici modülü ... 37
BÖLÜM V. DOĞRUDAN METANOL YAKIT PĠLĠ KONTROL KARTININ TASARLANMASI ... 38
5.1 Hava Pompası Kontrolü ... 38
5.2 Yakıt Pompası Kontrolü ... 40
5.3 Isı Sensörü Kontrolü ... 41
5.4 ÇıkıĢ Gerilimi Kontrolü ... 43
5.5 DC/DC Çevirici Tasarımı ... 43
5.6 Sirkülasyon (Devirdaym) Pompasının Kontrolü ... 44
BÖLÜM VI. DOĞRUDAN METANOL YAKIT PĠLĠ KONTROL KARTININ GERÇEKLEġTĠRĠLMESĠ ... 46
6.1 Kontrol Kartının Tasarımı ... 46
6.2 Yakıt Pilinin Isı ve Gerilim Kontrolü Algoritması ... 49
6.3 Yakıt Pili Ġçin PIC16F877A Programının Yazılması ... 50
6.3.1 ADC kontrol programı ... 53
6.3.2 LCD kontrol programı ... 54
6.4 Kontrol Programının PIC16F877A‟ya Yüklenmesi ... 57
6.4.1 Proje oluĢturma ... 57
6.4.2 USBurn programı ile yazılımın PIC 16F877A‟ya yüklenmesi ... 60
BÖLÜM VII. DMYP SĠSTEMĠNĠN GERÇEKLEġTĠRĠLMESĠ VE
ÇIKIġININ DENEYLERLE ĠNCELENMESĠ ... 64
7.1 Doğrudan Metanol Yakıt Pili Sisteminin GerçekleĢtirilmesi ... 64
7.2 Deneysel Düzenek ... 66
7.3 Deneysel Sonuçlar ... 67
7.3.1 Sıcaklığın DMYP performansına etkisi ... 67
7.3.2 DC/DC çeviricinin DMYP performansına etkisi ... 69
BÖLÜM VIII. SONUÇ VE ÖNERĠLER ... 72
KAYNAKLAR ... 74
ÖZGEÇMĠġ ... 78
TABLOLAR DĠZĠNĠ
Tablo 3.1. Metanol ve hidrojen depolama teknolojileri için enerji yoğunluğu ... 17
Tablo 3.2. Metanol‟ün kimyasal özellikleri (Taymaz, 2009) ... 23
Tablo 5.1. Yakıt pompası kontrol tablosu ... 41
Tablo 6.1. PIC 16F877A‟nın pinlerinin kontrol ettiği elemanlar ... 46
Tablo 6.2. ÇalıĢma modlarında yardımcı elemanların durumları ... 50
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ
ġekil 1.1. Enerji kaynaklarının kalan ömürleri (tmmob, 2006) ... 1
ġekil 3.1. Doğrudan metanol yakıt pili ... 16
ġekil 3.2. Doğrudan metanol yakıt pili sistemi (Taymaz ve Benli, 2009) ... 18
ġekil 3.3. Doğrudan metanol yakıt pili yapısı (Altıner, 2006) ... 19
ġekil 3.4. Doğrudan metanol yakıt pilinin V/I karakteristiği (Altıner, 2006) ... 20
ġekil 3.5. Toshiba‟nin geliĢtirdiği DMYP ile çalıĢan Laptop ... 21
ġekil 3.6. Hitachi‟nin geliĢtirdiği prototip yakıt hücresi kartuĢu ... 21
ġekil 3.7. Ultracell firmasının geliĢtirmiĢ olduğu harici güç kaynağı ... 22
ġekil 3.8. DMYP ile çalıĢan Ford FC5 (a) ve Jeep Commander 2 (b) ... 22
ġekil 4.1. Doğrudan Metanol Yakıt Pili ve kullanılan yardımcı elemanlar ... 26
ġekil 4.2. Yakıt pompası ... 27
ġekil 4.3. Farklı sirkülasyon pompası modelleri ... 28
ġekil 4.4. Birçok amaçla kullanılan sensörler ... 30
ġekil 4.5. Mikrodenetleyici sistem blok diyagramı ... 32
ġekil 4.6. ÇeĢitli PIC‟lerden örnekler ... 33
ġekil 4.7. PIC 16F877A mikrodenetleyicisi pin diyagramı ... 34
ġekil 5.1. Hava pompası sürücü devresi ... 38
ġekil 5.2. Yakıt pompası sürücü devresi ... 40
ġekil 5.3. Yakıt pompası ... 41
ġekil 5.4. Isı sensörleri ve fanları bağlantısı ... 42
ġekil 5.5. DC\DC çevirici ve tetikleme devresi ... 44
ġekil 5.6. Sirkülasyon pompasının sürücü devresi ... 45
ġekil 6.1. Doğrudan metanol yakıt pili kontrol kartı devre Ģeması ... 48
ġekil 6.2. Doğrudan metanol yakıt pili kontrol kartı üstten görüntüsü ... 49
ġekil 6.3. Yakıt pilinin ısı ve gerilim kontrollü AkıĢ diyagramı ... 51
ġekil 6.4. ADC ile ısı kontrolü program kodu ... 54
ġekil 6.5. ADC ile çıkıĢ gerilimi ve yardımcı elemanların kontrol program kodu ... 55
ġekil 6.6. LM 1602L LCD‟de iki satır olarak yazı yazdırma programı ... 56
ġekil 6.7. Mikrodenetleyici seçme adımı ... 58
ġekil 6.8. Dil ve derleyici seçme adımı ... 58
ġekil 6.9. Proje klasörü oluĢturma ve isim verme adımı ... 59
ġekil 6.10. Kaynak dosyasının eklenmesi ve iĢaretlenmesi adımı ... 60
ġekil 6.11. USBurn açılıĢ görüntüsü ... 61
ġekil 6.12. USBurn yükleme sayfası ... 61
ġekil 6.13. USBurn donanım özellikleri ayar menüsü ... 62
ġekil 6.14. USBurn programının yükleme sonrası görüntüsü ... 62
ġekil 7.1. Doğrudan metanol yakıt pili sisteminin iç yapısı. ... 64
ġekil 7.2. Doğrudan metanol yakıt pili sisteminin dıĢarıdan görüntüsü. ... 65
ġekil 7.3. Deney düzeneğinin Ģematik gösterimi. ... 66
ġekil 7.4. Deney düzeneğinin görüntüsü. ... 67
ġekil 7.5. DeğiĢken sıcaklıkta DMYP hücre grubunun çıkıĢ akımının değiĢimi. ... 67
ġekil 7.6. DeğiĢken sıcaklıkta DMYP hücre grubunun çıkıĢ gücünün değiĢimi. ... 68
ġekil 7.7. DMYP hücre grubunun 55ºC sıcaklıkta çıkıĢ akım ve gerilimindeki değiĢimi. ... 69
ġekil 7.8. DC/DC çevirici tetikleme frekansının verime etkisi. ... 70
ġekil 7.9. DC/DC çeviricinin çıkıĢ dalga Ģekli. ... 70
ġekil 7.10. Hava pompasının sistemden çektiği akımın dalga Ģekli. ... 71
ġekil 8.1. ġerit LED‟in DMYP ile çalıĢtırılması. ... 73
BÖLÜM I
GĠRĠġ
1.1 GiriĢ
Enerji, insanoğlunun ihtiyaçlarını karĢılamada gereksinim duyduğu en önemli olgudur ve ekonomik kalkınmanın bir lokomotifidir. Bu gün kiĢi baĢına düĢen enerji tüketim miktarı kalkınmıĢlığın ölçüsü olarak kabul edilmektedir. Dünyada enerji ihtiyacı, meydana gelen sanayileĢme ve hızlı nüfus artıĢı nedeniyle giderek artmaktadır ve gittikçe büyüyen bir enerji açığı ortaya çıkmaktadır. Neredeyse bütün toplumlar enerji sorunu ile karĢı karĢıya kalmakta ve enerji, ülke politikalarında önemli bir kavram haline gelmektedir.
ġekil 1.1. Enerji kaynaklarının kalan ömürleri (tmmob, 2006)
Dünya, enerji gereksiniminin büyük bir kısmını kömür, petrol, doğalgaz gibi fosil kaynaklı yakıtlarla karĢılamaktadır. BaĢta ulaĢım olmak üzere, endüstri ve konutlarda kullanılan bu fosil yakıtlar, herhangi bir maddenin ötesinde uluslararası siyasi ve ekonomik stratejilerin Ģekillenmesinde çok önemli bir olgu haline gelmiĢtir (tmmob, 2006).
Fosil kökenli enerji rezervlerinin ġekil 1.1‟de görüldüğü gibi yakın gelecekte tükenme ihtimali, fiyatlardaki istikrarsızlıklar, kullanım sonunda çevreye verdikleri zararlar ve temininde yaĢanan belirsizlikler birçok devletin yeni enerji politikaları oluĢturmasında
etken oluĢturmaktadır. Çevre dostu ya da yeĢil enerji türleri olarak adlandırdığımız enerji kaynakları geleceğin enerji kaynakları olarak ortaya çıkmaktadır. Çevre koruma ölçütleri içerisinde ve bunlarla gelen yaptırımlar günümüzde ulusal sınırları aĢmakta ve uluslararası bir boyut kazanmaktadır. Bu nedenle uluslararası ortak çözümlere etkin katılım sağlanmalı, yenilenebilir, çevre dostu enerji kaynakları desteklenmeli ve geliĢtirilmelidir.
Bütün sektörlerde enerji kullanımı, 1970‟li yıllardan bu yana en çok önem verilen konulardan birisi olmuĢtur. Dünya genelindeki ülkeler, 1973 ve 1979 yıllarındaki petrol krizlerinde sonra, enerji korunumuna iliĢkin önlemlere yoğun olarak ilgi göstermeye baĢlamıĢlardır. Daha sonraları 1980‟li yıllarda, esas olarak fosil yakıtların kullanılması sonucunda oluĢan çevre kirliliğine önem verilmeye baĢlanmıĢtır. Son yıllarda; enerji kullanımı, sera gazı emisyonları ve bunların küresel iklim değiĢikliklerine olan potansiyel etkileri en çok tartıĢılan konulardan birisidir. Günümüz endüstri dünyasında, enerji ve diğer kaynaklarının kullanımı önemli düzeye ulaĢmıĢtır. Bu nedenle, bir taraftan doğal kaynakların temini azalmaya baĢlamıĢ, diğer taraftan da çevre kirliliği gibi doğal ortama verilen zararlar artarak devam etmektedir. Bununla birlikte, enerji dönüĢümüne iliĢkin teknik iyileĢtirmeler yeterince etkin bir Ģekilde gerçekleĢtirilememektedir. GeliĢmiĢ ve geliĢmekte olan ülkelerde, gelecekteki enerji üretim ve tüketim düzeylerinin belirlenebilmesi için; nüfus artıĢı, ekonomik üretkenlik, tüketici alıĢkanlıkları ve teknolojik geliĢmeler gibi dikkate alınması gereken birçok etmen vardır. Enerji sektörüne iliĢkin yönetim biçimleri, gelecekteki enerji üretim ve tüketim düzeyi ve dağılımında önemli rol oynayacaktır. Enerji kullanımı ile ilgili sorunlar, sadece küresel ısınma ile sınırlı değildir. Hava kirliliği, asit yağmurları ve ozon azalımı gibi çevresel konular enerji kullanımı ile yakından iliĢkilidir.
Dünya atmosferinde CO2 ve diğer sera gazlarının konsantrasyonlarındaki artıĢ ile mevsim değiĢikliklerinin meydana gelmesi arasında doğrudan bir iliĢki bulunmaktadır.
Tüm dünyada insanların yaĢam stilleri ve ekonomilerinde bulunan fosil yakıtlarının önemini kabul etmekle beraber global ekonominin çevre üzerinde daha az etkisi olabilecek yolların güçlendirilmesi gereklidir.
Hidrojen enerjisi de taĢıdığı özellikler ve potansiyel kullanım alanları itibarıyla son yıllarda gelecek vadeden en önemli alternatif enerji kaynaklarından birisi olarak
kendine yer bulmaktadır. Hidrojen enerjisinin kullanımında önemli mesafeler kat edilmiĢ ve geliĢtirilen ürünler çeĢitli alanlarda kullanılmaya baĢlanmıĢtır. Bunun yanında yakıt hücreleri de geleceğin en önemli enerji kaynaklarından bir tanesidir. Bu çerçevede yakıt hücreleri, cep telefonlarının ihtiyacını karĢılayacak kadar az veya bir kente yetebilecek kadar çok güç üretebilecek kapasitelerde tasarlanabilmektedir. Bu nedenle, ulaĢım araçlarından evsel ve endüstriyel uygulamalara kadar geniĢ bir kullanım potansiyeline sahip bulunmaktadır.
Yakıt pilleri, kimyasal enerjiyi elektrokimyasal reaksiyonlarla doğrudan elektrik enerjisine dönüĢtüren elemanlardır. Yakıt pili, fosil yakıtlarının yakılması yerine, yakıt ile oksijenin elektro-kimyasal reaksiyonu sonucunda enerji üreten bir tür bataryadır.
Yakıt pillerinin kurulu güçleri 200KW (kilowatt) – 25MW (megawatt) arasında değiĢmektedir. Yakıt olarak hidrojen metan, doğal gaz, etanol, metanol kullanılmaktadır. Bununla beraber son dönemlerde benzin kullanabilen yakıt pilleri denemelerinden de olumlu sonuç alınmıĢtır. Oksijenle hidrojenin reaksiyonu su ürettiğinden, bu reaksiyondan doğayı kirletici ürün çıkıĢı söz konusu değildir. Yakıt pili güç sistemlerine karĢı ilginin giderek artması, temiz çevre, küresel ısınma, enerji kaynaklarının tükenmeye yüz tutması ve var olan kaynakların politik olarak kararsız bölgelerde bulunması gibi olumsuzluklardan kaynaklanmaktadır
Günümüzde düĢük ve orta dereceli güç uygulamalarında doğrudan metanol yakıt pillerini ilgi odağı olmuĢtur. Dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları ve el kameralarının çalıĢma özellikleri dikkate alındığında; düĢük çalıĢma sıcaklığı ve sıvı yakıt beslemesinin bir ön yakıt iĢlemciye gerek duymadan uygulanması, doğrudan metanol yakıt pillerini kullanılabilir hale getirmektedir. Sıvı metanol doğrudan kullanımı ve hızlı reaksiyonu ile cevap vermesi, geleneksel pillerde elektrikle Ģarj zorunluluğuna karĢı bir avantajdır. DüĢük sıcaklıkta düĢük güç yoğunluğu elde etmek için kullanılan platin katalizörünün maliyetinin çok yüksek oluĢu belki de doğrudan metanol yakıt pilinin tek dezavantajıdır. Maliyette oluĢan problemler çözüldüğü zaman gelecekte doğrudan metanol kullanılan yakıt pillerinin taĢınabilir düĢük ve orta güç ihtiyacına sahip sistemlerde kullanımının artacağı düĢünülmektedir.
1.2 Tezin Amacı
Tez kapsamında 30W güç verebilen 10 hücreli doğrudan metanol yakıt pili hücre grubunun elektronik kontrolü gerçekleĢtirilmiĢtir. Öncelikle yakıt pili için gerekli yardımcı elemanlar seçilmiĢ, seçilen yardımcı elemanlar ve yakıt pili için parametreler belirlenmiĢ, parametrelere bağlı olarak da kontrol kartı tasarlanmıĢtır. Tasarlanan kontrol kartının baskı devresi oluĢturularak devre elemanları takılmıĢ, kontrol kartının çalıĢabilmesi için mikrodenetleyici yazılımı yazılmıĢ ve mikrodenetleyiciye yüklenmiĢtir. Son olarak kontrol kartı ve yardımcı elemanlar yakıt piline bağlanarak çalıĢtırılmıĢtır. Yakıt pilindeki ısı değiĢiminin ve dıĢarıdan pompalanan yakıt miktarının yakıt pili performansına, çıkıĢ akımı ve gerilimine etkisi incelenmiĢtir.
Doğrudan metanol yakıt pilleri (DMYP), oda sıcaklığında sıvı halde olan metanol kullanması ve metanolun yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması nedeniyle özellikle taĢınabilir elektronik cihazlar için çok önemli potansiyele sahiptir. Metanolün sıvı halde kullanılması, saf hidrojende olduğu gibi depolama güçlüğünden doğan problemleri ortadan kaldırmaktadır. Ayrıca sisteme sulu çözelti halinde metanol verilerek PEM yakıt pillerinde meydana gelen membranın nemlendirilme gereksinimi ortadan kalkmaktadır. Birçok büyük elektronik firmaları taĢınabilir elektronik cihazlar için DMYP prototipleri geliĢtirmiĢlerdir ve bunları çok yüksek fiyatlara satılmaktadır. Bu tez çalıĢmasında çok rahatlıkla bulunabilecek ve çok az maliyetli PIC 16F877A mikrodenetleyicisi ile doğrudan metanol yakıt pilinin kontrol kartı tasarımı ve uygulaması gerçekleĢtirilmiĢ, ısı ve yakıtın yakıt pili verimine etkisi incelenmiĢtir.
1.3 Literatür Taraması
Doğrudan metanol yakıt pilleri (DMYP), oda sıcaklığında sıvı halde olan metanol kullanması ve birçok yakıt pilinde olduğu gibi hidrojen depolama problemi olmaması nedeni ile taĢınabilir elektronik cihazlar ve düĢük güç gerektiren sistemler için en uygun yakıt pili çeĢididir. Hidrojeni doğrudan kullanan yakıt pillerine göre daha düĢük verime sahip olmasına rağmen güvenilir ve basit yapıya sahiptir. Doğrudan metanol yakıt pilinde verim %45-55 civarındadır. Verimin yüksek olması parametrelerin iyi belirlenmesine, yardımcı elemanların ve kontrol kartının koordineli çalıĢmasına bağlıdır. Bu nedenle kontrol kartı tasarlanırken yakıt pilinin ısısının hangi aralıkta
olması gerektiği, metanol-su karıĢımının oranı, azalan metanolün sisteme verilmesi gibi parametreler yakıt pili için hayati önem arz etmektedir. Literatürde Doğrudan metanol yakıt pillerinin dizaynı ile ilgili birçok çalıĢma yapılmasına rağmen elektronik kontrolü ile ilgili yapılan çalıĢmalar çok sınırlıdır.
Doğrudan metanol yakıt pilleri dizüstü bilgisayarı, cep telefonu gibi taĢınabilir cihazlar ve alçak gerilim için düĢünüldüğünden ortam sıcaklığında yüksek verimle çalıĢabilmeleri büyük önem taĢımaktadır. Literatürde DMYP‟lerin çeĢitli çalıĢma koĢullarında performansını ölçen birçok çalıĢma mevcuttur. Doğrudan metanol yakıt pilinde hücre sıcaklığı ve yakıt konsantrasyonundaki artıĢ ile metanol geçiĢi artmaktadır. Sıcaklığın artması ile metanolün viskozitesi azalmakta ve difüzyon kolaylaĢmaktadır. Ancak yakıt pilindeki sıcaklık artıĢı DMYP performansını da önemli ölçüde arttırmaktadır. Bu durum reaksiyon kinetiğinde artıĢın difüzyona göre daha yüksek olması ile açıklanmaktadır (Kondoh vd., 2008; Chen ve Zhao, 2007). Dohle vd.
(2002), yaptıkları sistemde sıcaklığı 21ºC‟den 77ºC‟ye çıkmasıyla, çıkıĢtan alınan gücün arttığını, sıcaklık artıĢının yakıt pili performansını arttırdığını görmüĢlerdir.
Saarinen vd. (2007), artan sıcaklık ile metanol geçiĢinin artmasının yanı sıra performanstaki artıĢın iyonik iletkenliğin sıcaklık ile artması olduğunu belirtmiĢlerdir.
Neburchilov vd. (2007), artan sıcaklık ile metanol geçiĢinin de arttığını fakat bu durumun performansı etkilemediğini bunun nedeninin ise sıcaklığın artması ile beraber proton iletiminin ve membran elektrot grubunun karbon monoksit toleransının da artması olduğunu belirtmiĢlerdir. Benzer Ģekilde Sundmacher ve Scott (1999), kütle ve Ģarj transferini deneysel olarak inceledikleri çalıĢmalarında artan sıcaklık ve konsantrasyon ile metanol geçiĢinin yanı sıra proton iletiminin de arttığını tespit etmiĢlerdir. Kallio vd. (2004), metanol geçiĢini deneysel olarak incelemiĢlerdir.
Deneyler sonucunda elde edilen sonuçlar artan sıcaklık ile metanol geçiĢinin yanı sıra performansında arttığını göstermiĢtir.
Oedegaard (2006), atmosferik basınçta çalıĢma sıcaklığını oda sıcaklığından 80°C‟ye kadar değiĢtirerek DMYP‟nin performansını ölçmüĢtür. Artan sıcaklıkla anot ve katotta reaksiyon hızı arttığını buna karĢılık katot bölgesine su ve metanol geçiĢinin hızlandığını, katot bölgesine geçen metanolün tamamına yakınının su ve CO2‟e dönüĢtüğünü gözlemlemiĢtir. Yüksek sıcaklıkta metanol geçiĢinin hücre performansını önemli ölçüde azalttığını tespit etmiĢtir. Aynı Ģekilde çok hücreli DMYP sistemi
üzerinde de aynı deneyleri yapmıĢ, katot yüzeyinde su oluĢumu ve metanol geçiĢi gibi sebeplerin performansı düĢürdüğünü tespit etmiĢtir.
Scott vd. (1998), tek hücreli doğrudan metanol yakıt pili performansına etki eden faktörlerin neler olduğu ve bu faktörlerin pil voltajı ve akım yoğunluğunu nasıl etkilediğini gösterebilmek için sistem temellerini esas alan bir matematik model geliĢtirmiĢler ve matematiksel model nümerik olarak çözmüĢlerdir. Nümerik sonuçlar yakıt pilinden sabit akım çekilmesi durumunda sıcaklık artıĢının, güç yoğunluğu ve pil potansiyelini artırdığını göstermiĢtir. DMYP‟nin kabul edilebilir performansının 80°C‟de gaz formundaki metanolle sağlanabileceği gösterilmiĢtir.
Jiang vd. (2004), anot ve katot akıĢ kanallarını metal köpükten imal etmiĢlerdir. Ġmal ettikleri elemanları geliĢtirdikleri yakıt pilinde kullanmıĢlardır. Bu sistem için ayrıca bir yakıt sağlama metodu geliĢtirmiĢler ve çeĢitli deneyler yapmıĢlardır. GeliĢtirdikleri yakıt hücresiyle yaptıkları deneylerde; hücre sıcaklığı 20ºC„den 40ºC„ye çıkartıldığında yakıt pilinin çıkıĢ gücünün önemli ölçüde arttığını saptamıĢlardır. Bu hücrenin ürettiği ortalama gücün 40ºC de 26mW/cm2 olduğu bulunmuĢtur. Hücre kümesinin enerji çıkıĢı sabit akımda veya sabit voltajda anoda yetecek kadar yakıt verilerek incelenmiĢtir. Sabit akımda artan sıcaklıkla birlikte yakıt pilinin performansının da arttığı bulunmuĢtur.
Sun vd. (2005), sülfonlu poly (phthalazione ether ketone) malzemesini direk metanol yakıt pilleri için membran malzemesi olarak kullanmıĢlardır. Sızdırmazlık testleri sonucunda Nafion membrana göre daha az metanol geçirgenliği olduğu görülmüĢtür. Bu malzeme kullanılarak 70°C‟de yapılan tek hücreli deney testinde maksimum güç yoğunluğu 55mW/cm2 iken buna bağlı akım yoğunluğu 260mA/cm2 olarak elde edilmiĢtir. Maksimum akım yoğunluğu da 360mA/cm2 olarak elde edilmiĢtir. Metanol geçirgenliği düĢtüğü için Nafion membranlarda optimum metanol geçiĢi için 2M metanol kullanılırken bu yapılan membranda 3M metanol konsantrasyonu kullanılabilmektedir. Daha az metanol geçiĢi olması nedeni ile daha fazla metanol beslemesi yapılabilmektedir. Yüksek sıcaklıkta ve uzun süreli çalıĢma koĢullarında bu malzemenin kararlı yapısını kaybettiği görülmektedir. Buna karĢılık düĢük maliyeti, ısıl kararlılığa sahip olması ve kabul edilir düzeyde proton iletkenliği nedeni ile gelecek vaat etmektedir.
UlaĢım dünya enerji tüketiminde büyük bir paya sahip olup egzoz gazları hava kirliliğinin etkenlerinden biridir ve geliĢmiĢ ülkeler bu problemi çözmek için yeni arayıĢlar içine girmiĢlerdir. Bu kirlilik içten yanmalı motorlu arabalar yerine elektrikli arabalar kullanılarak yakın bir gelecekte çözüme kavuĢturulabilir. Direk metanol yakıt pillerinde yakıt iĢlemciye gerek duyulmadan yakıtın direk olarak kullanılması, yakıt olarak doğal gaz, biokütle, tarım ürünü fermantasyonları gibi baĢka yakıtları da kullanabilecek Ģekilde yapısal değiĢikliklerin kolayca yapılabilmesi, diğer sistemlere göre daha küçük ve hafif sistem boyutu sağlaması gibi etkenler elektrikli arabalar için uygun güç kaynağı olarak görülmesini sağlamaktadır. Direk metanol yakıt pillerinin güçlük çektiği nokta metanolun membrandan geçmesi sonucunda katot performansını, yakıt verimini olumsuz etkilemesi, bir baĢka problem ise malzeme ve üretiminin pahalı olmasıdır. Bu sebeplerden dolayı, ilk olarak taĢınabilir sistemlere güç kaynağı olarak ele alınsalar da elektrik üretiminde kullanılmaları üzerine çalıĢmalar yapılmaktadır. Farklı uygulamaların yapılması, farklı sistem tasarım kriterleri, farklı operasyon parametreleri ve farklı malzemeler anlamına gelmektedir. Dillion vd. (2004), direk metanol yakıt pillerindeki son geliĢmeleri, araĢtırma-geliĢtirme çalıĢmalarını, farklı uygulamalarda karĢılaĢılan problemler üzerine çalıĢmalar yapmıĢlardı. Ravikumar ve Shukla (1996), 4 bar basıncındaki oksijenle DMYP‟yi çalıĢtırmıĢ ve metanol geçiĢinin özellikle metanol konsantrasyonu 2M‟yi geçince önemli ölçüde arttığını göstermiĢlerdir. Scott vd. (2001), yine anot tarafına verilen metanol konsantrasyonun 2M‟yi aĢtığı durumlarda katot bölgesine istenmeyen metanol geçiĢinin arttığını ve akım yoğunluğunun düĢtüğünü göstermiĢtir.
Shao vd. (2006), düĢük güce ihtiyaç duyan elektronik cihazlar için silindirik DMYP geliĢtirmiĢlerdir. Tek hücreli direk metanol yakıt pili testinde membrandaki Nafion oranı ve elektrolit içerisindeki metanol konsantrasyonunun silindirik pil performansını büyük ölçüde etkilediği görülmüĢtür. Yakıt pili 72 saat süre ile çalıĢtırılmıĢ ve yüksek akım yoğunluğunda pil performansında çok az bir değiĢme olduğu görülmüĢtür.
Lu vd. (2005), yüksek güçte çalıĢan portatif sistemler için 1.625cm2 aktif alanlı bir mikro doğrudan metanol yakıt hücresi geliĢtirmiĢ ve elektro-kimyasal tepkimelerini incelemiĢlerdir. Yarı iletken silikon teknolojisinden faydalanarak hücre imalatı yapmıĢlar ve yaptıkları hücrede kendi geliĢtirdikleri geri beslemeli anot yapılı ileri membran elektrot grubu kullanmıĢlardır. Mikro doğrudan metanol yakıt hücresinin
atmosferik basınç altında 40ºC‟de ve 60ºC‟de güç ölçümü yapılmıĢ ve 40ºC‟de 62.5 mW/cm2, 60ºC‟de 100mW/cm2 olduğu tespit edilmiĢtir. Ölçülen değerlerin standart direkt metanol yakıt hücrelerinin güç yoğunluğunun yaklaĢık iki katı olduğu görülmüĢtür.
Kim vd. (2006), 6 hücreli 90mW/cm2 güç yoğunluğuna sahip 54W maksimum güç verebilen DMYP tasarlamıĢ ve üretmiĢler. Yaptıkları bu sistem, aktif metanol ve hava beslemesi ile çalıĢmaktadır. Yaptıkları DMYP ile sıcaklık, hava ve metanol konsantrasyonunun sistem verimine ve çıkıĢ gücüne etkisini incelemiĢler, tek hücreli sistem ile karĢılaĢtırmıĢlardır. YapmıĢ oldukları DMYP ile 20W güç harcayan LCD monitörü yaklaĢık 2,5 saat çalıĢtırmıĢlardır. Sistemde DC-DC dönüĢtürücü, hava pompası, metanol pompası ve 1,5M metanol-su karıĢımını devirdaym edebilmesi için mikro-pompa kullanılmıĢtır. Kullandıkları DC-DC dönüĢtürücü Yakıt hücresinin çıkıĢ gerilimi olan 3Voltu %75 verimle 12Volta yükseltmiĢtir. Martin vd. (2007), daha küçük aktif bölgeye sahip ve maksimum 50W güç verebilen, ancak gerektiğinde daha fazla hücre (20 hücre) ile 70mW/cm2 güç yoğunluğu verebilen bir sistem tasarlamıĢlardır. Bu sistem aktif olarak metanol ve hava kullanmaktadır.
Chen vd. (2006), portatif elektronik güç uygulamaları için bir doğrudan metanol yakıt hücresi geliĢtirmiĢ ve sistemin performansına etki eden parametreleri incelemiĢlerdir.
Yapılan deneyler sistemdeki havanın akıĢ hızının metanol konsantrasyonundan daha fazla sistem performansını etkilediğini göstermiĢtir. Yaptıkları değiĢikliklerle 10 hücreli stakta 60W/l, 18 hücrelik stakta da 100W/l„ye varan hacimsel güç yoğunluğuna ulaĢmıĢlardır. YapmıĢ oldukları deneylerde 18 hücrelik stağın çıkıĢ gücü 70ºC „de 33 W olarak ölçülmüĢtür. GeliĢtirilen 18 hücreli Doğrudan metanol kullanan yakıt pili stağının dıĢ ölçüleri 80mm X 80 mm X 51 mm boyutlarına kadar düĢürülmüĢ, bu boyut 10-20W güç gereksinimi olan elektronik cihazlar için Ģarjlı pillerle mukayese edilebilir bir boyut olduğu ifade edilmiĢtir.
Chen ve Zhao (2005), pasif direk metanol yakıt pilleri için bir boyutlu ısıl modelleme yapmıĢlardır. Hücre içindeki metanol ve oksijen konsantrasyonunun nasıl dağıldığı ve sistem ekipmanlarının sıcaklık dağılımlarının nasıl olduğu incelenmiĢtir. 1-4 Molar metanol konsantrasyon aralığı için pil performansının ne olacağı modelleme ile tahmin edilmiĢtir. DüĢük akım yoğunluklarında anot sıcaklığının katottan daha düĢük olduğu
gözlemlenmiĢtir. Buna karĢılık yükselen akım yoğunluğuyla anot bölgesinde sıcaklık artmıĢ ve akım yoğunluğu arttırıldığında katot bölgesinden daha sıcak hale gelmiĢtir. Bu çalıĢmadaki sonuçlar pasif direk metanol yakıt pillerindeki ısıl ayarların performans artıĢında ne kadar önemli olduğunu ortaya koymuĢtur.
Shimizu vd. (2004), oda sıcaklığında çalıĢan 36 cm2 alana sahip bir pasif direk metanol yakıt pilinin dizaynı, üretilmesi ve performansının incelenmesi üzerine çalıĢmıĢlardır.
Üretilen yakıt pilinde hava pompası kullanılmayıp oksijen dıĢ ortamdan (havadan) alınmakta, metanol ise yakıt deposundan sağlanmaktadır. Sistem 0,5-4M metanol konsantrasyonunda denenmiĢ ve 4M metanol konsantrasyonunda 11 mW/cm2 enerji yoğunluğuna ulaĢılmıĢtır. Deneyler sonucunda yapılan prototipin cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi taĢınabilir iletiĢim sistemlerinde kullanılabileceği ifade edilmiĢtir.
Middleman vd. (2003), tek kutuplu ve çift kutuplu plakalar için ısı ve elektrik özellikleri standart plakalara göre daha yüksek kompozit malzeme ve kalıp geliĢtirmiĢler, çift kutuplu plakalar üzerine malzeme verimini artırmak için soğutma kanallarını açmıĢlardır. Yeni geliĢtirilen plakalarla yakıt pili güç yoğunluğunu 2kW/l ve 2kW/kg‟a artırmanın mümkün olduğunu göstermiĢler, çift kutuplu plakalar için toplam kalınlığın 3 mm olduğunu ve yakın gelecekte 2mm‟ye kadar indirilebileceğini ifade etmiĢlerdir.
Xie vd. (2004), Motorola Laboratuarlarında cep telefonu vb cihazlarda kullanılmak üzere 1-2W arasında mikro direk metanol yakıt pili prototipleri geliĢtirmiĢlerdir.
Yaptıkları prototipin toplam sistem verimi %20 olup 2W çıkıĢ vermektedir. Yakıt kartuĢunda ise 812W-saat/l enerji yoğunluğuna ulaĢılmıĢtır. Prototipler 2 hafta sürekli olarak çalıĢmasına karĢılık verimde önemli bir azalma olmadığı gözlenmiĢtir.
Baldauf ve Preidel (1999), direk metanol yakıt pillerinin performansının yükseltilmesi ve yaygın olarak ticari amaçlı kullanımını sağlamak amacı ile birçok çalıĢma yapmıĢlardır. Grup 200mW/cm2 güç yoğunluğuna ulaĢan, yüksek oksijen basıncı ve yüksek sıcaklıkta çalıĢan bir DMYP geliĢtirmiĢlerdir. YapmıĢ oldukları deneylerde oda sıcaklığı ve atmosferik basınçta güç yoğunluğunun 50mW/cm2 değerine kadar düĢtüğü gözlemlenmiĢtir. DMYP performansının artırılması için düĢük metanol geçirimli ve
Faraday verimi artarken katot zehirlenme seviyelerinin çok daha düĢük olduğu direk metanol yakıt pillerine özel bir membran geliĢtirilmesi gerektiği sonucuna ulaĢılmıĢtır.
Cleghorn vd. (1997), Los Alamos Laboratuarlarında otomotiv uygulamaları konusunda yürütülen yeni yakıt pili çalıĢmalarını özetlemiĢlerdir. Yaptıkları çalıĢmalarda üzerinde akıĢ kanalları bulunan çift kutuplu plakalar ile imal edilen yakıt pillerinin çok ucuza mal edilebildiği ve yüksek performansa ulaĢabildiği görülmüĢtür. GeliĢtirdikleri metanol kartuĢ ve besleme sisteminin yakıt pilinin hacimsel enerji yoğunluğunu önemli ölçüde artırdığını ifade etmiĢlerdir.
Shen vd. (2010), yapmıĢ oldukları çalıĢmada, doğrudan metanol yakıt pillerinde yakıt beslemesi ile ilgili bir algoritma hazırlamıĢlardır. YapmıĢ oldukları algoritmada çeĢitli denklemler elde etmiĢlerdir. Elde ettikleri algoritma ile gerçek zamanlı bir sistem içinde elde edilecek enerji miktarına, yakıt pilinden alınan akım ve gerilime bağlı olarak tahmini metanol yoğunluğunun belirlenebildiği gösterilmiĢtir. Belirlenen metanol yoğunluğuna bağlı olarak metanol-su karıĢımından eksilen metanol miktarının bulunabileceğini göstermiĢtir.
Kirubakaran vd. (2009), çeĢitli yakıt pillerinin konut, sanayi, ulaĢım ve ticari uygulamalar için avantajlarını ve dezavantajlarını matematiksel bir model oluĢturarak incelemiĢlerdir. Ayrıca farklı yakıt pilleri için gerekli DC/DC ve DC/AC dönüĢtürücüleri inceleyerek avantajlarını ve dezavantajlarını belirlemiĢlerdir.
DönüĢtürücülerdeki kayıpların yakıt pilinin verimini olumsuz yönde etkilediği, bu nedenle minimum kayıplı dönüĢtürücü kullanılmasının verimi yükselteceği görülmüĢtür.
Andujar ve Segura (2009), geçmiĢten günümüze kadar yakıt pillerinin tarihçesini araĢtırmıĢlardır. Bununla beraber çeĢitli yakıt pillerinin avantajları ve dezavantajları, kullanım alanları incelenmiĢtir. Özellikle Motorola, Toshiba, Sony gibi firmaların cep telefonu ve dizüstü bilgisayarlar için yakıt pili ürettikleri ve yakıt ikmali yapılmadan lityum pillere göre daha uzun süreli enerji sağlanabildiği görülmüĢtür. AraĢtırmada yakıt pillerinin sadece düĢük güçlerde değil yüksek güçlerde ve otomobillerde de kullanılabileceği, bu amaçla yakıt pili ile çalıĢan araçların yapılmaya baĢladığı ve gelecekte yaygınlaĢma potansiyelinin olduğu görülmüĢtür.
BÖLÜM II
YAKIT PĠLĠ
2.1 Yakıt Pili
Yakıt pilleri kullandıkları yakıtın enerjisini doğrudan elektrokimyasal yolla elektrik enerjisine çevirebilen cihazlardır (Brouver, 2010). Yakıt pilleri; temiz, çevreye zarar vermeyen ve yüksek verime sahip dönüĢüm teknolojileridir. Hidrojen ve oksijen arasındaki elektrokimyasal reaksiyon ile elde edilen ve yüksek verimlere ulaĢabilen yakıt pilleri, elektrokimyasal piller olarak da bilinir.
Yakıt pilleri, yakıtın kimyasal enerjisini elektrolit sistemde devamlı olarak elektrik enerjisine çevirirler. Bir buhar kazanı veya türbin kullanılmadan, sadece kimyasal madde kullanılarak elektrik enerjisi üretmektedirler. Prensip olarak bir yakıt pili batarya iĢlevi görmektedir. Bir bataryadan farkı ise gücünde zayıflama olmaması, Ģarj gerektirmemesi, sessiz ve verimli çalıĢmasıdır.
Yakıt pillerinde yakıt beslemesi doğrudan ve dolaylı olarak gerçekleĢtirilmektedir.
Hidrojen, metan, doğal gaz, hava gazı, LPG yakıt piline doğrudan beslenerek kullanılabilir. Yakıtın dolaylı olarak beslenmesinde, bir ön iĢlem uygulanmaktadır.
Yakıtın dolaylı beslenmesine örnek olarak, kömür, metanol, etanol, amonyak ve hidrokarbonlar kullanan yakıt pilleri verilebilir. Tüm yakıt pillerinde su, pil çalıĢma sıcaklığına göre sıvı ve buhar Ģeklinde ürün olarak açığa çıkmaktadır. Oksitleyici olarak oksijen kullanılıyorsa su, hava kullanılıyorsa azot ve su açığa çıkmaktadır. BirleĢiminde karbon bulunan yakıt kullanılması durumunda ise karbondioksit oluĢmaktadır. Yakıt pilleri çalıĢma sırasında içlerindeki reaksiyon sonucu ısınmaktadırlar. Yakıt pilinde oluĢan ısı, pil içerisinde oluĢan suyun pili terk etmesi sonucu pil kendini soğutmuĢ olacaktır. Ancak çok yüksek sıcaklıkta çalıĢan pillerde soğutma ekipmanı kullanılması gerekmektedir (Döner, 2012; Kurtcephe, 2006). Elektrik enerjisi üretimi sırasında atık olarak su, ısı ve minimum seviyede emisyon açığa çıkmaktadır.
2.2 Yakıt Pilinin Avantajları ve Dezavantajları
Yakıt pilleri Lityum pillere ve akülere göre birçok avantaj sağlamaktadır. Yakıt pili kullanımının bazı avantajları aĢağıdaki gibidir:
Yakıt pilleri enerji dönüĢümünde yüksek verime sahiptirler, sessiz çalıĢırlar ve fosil yakıtlara bağımlı olmamaları nedeniyle büyük ilgi çekmektedirler.
ġebekeden bağımsız elektrik üretebilirler.
Yakıt pillerinin normal piller veya aküler gibi Ģarj edilme zorunluluğu yoktur.
Tepkime sonucu atık olarak sadece su ve ısı açığa çıkarmaları nedeni ile doğaya zarar vermezler.
Yakıt pilinin bazı olumsuzlukları aĢağıdaki gibidir:
Yakıt Pilleri DC gerilim üretmektedirler. Ev cihazlarında kullanılabilmeleri için DC- AC çeviricilere ihtiyaç duyarlar.
Yakıt Pilleri hava pompası, yakıt pompası gibi kontrol elemanları ile çalıĢtıklarından ürettikleri gerilimin bir kısmını bu elemanları çalıĢtırmak için kullanırlar.
Yakıt pili içerisindeki membran pahalı olduğundan maliyeti arttırmaktadır.
2.3 Yakıt Pili ÇeĢitleri
Yakıt pilleri, kullanılan elektrot ve elektrolit cinsine, çalıĢma sıcaklığına yakıt ve oksitleyicinin bileĢimine, yakıtın dolaylı veya direk yoldan verilmesine, bağlı olarak 6 grupta toplanabilir. Bunlar:
Alkali yakıt pili (AFC)
Polimer elektrolit membranlı yakıt pili (PEMFC)
Fosforik asit yakıt pili (FAFC)
ErimiĢ karbonatlı yakıt pili (EKFC)
Katı oksit yakıt pili (KOFC),
Doğrudan metanol yakıt pili (DMFC) (Kurtcephe, 2006).
2.3.1 Alkali yakıt pili (AFC)
Bu yakıt pilinde elektrolit olarak KOH kullanılır. Alkali elektrolitlerde oksijen indirgeme kinetiği asit elektrolitlerden daha hızlıdır ve soy metal olmayan elektro katalizörlerin kullanılabilmesi AFC‟yi ekonomik yapmaktadır. Ancak elektrolitin CO2
gibi asidik safsızlıkların ortamda bulunmasına izin vermemesi emisyon oranından dolayı sorun yaratır. Alkali sistemler oda sıcaklığında çok iyi çalıĢır ve diğer tüm yakıt sistemleri arasında en yüksek voltaj verimine sahiptirler.
Ayrıca birçok malzeme ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC‟ler uzun iĢletim ömrüne sahiptir. AFC‟ler güvenilir sistemlerdir ve küçük hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirler. Güç yoğunlukları 100-200mW/cm² arasında değiĢmektedir.
Maliyetler ise ulaĢtırma sektörü için 50/100$/kW değerlerine ulaĢtırılmaya çalıĢılmaktadır (Döner, 2012).
2.3.2 Polimer elektrolit membranlı yakıt pili (PEMFC)
PEMFC‟ler 1960‟ların baĢında General Electric tarafından icat edilmiĢtir. Katı polimer elektrolitli yakıt hücresi olarak da adlandırılır. Bu tip yakıt hücrelerinde proton (hidrojen iyonu) geçirebilen membranlar kullanılmaktadır. PEM yakıt pili, platin ile kaplanmıĢ iki elektrotun arasına preslenmiĢ perflorlu sülfönik asit polimerler gibi proton ileten bir katı elektrolitten oluĢur. Buradaki elektrolit anot ile katot arasında bir gaz sütunu oluĢturarak anottan katoda doğru hidrojen iyonlarının taĢınmasını sağlar.
Polimer elektrolite gaz elektrotlarda bulunan gaz difüzyon kanalcıklarından oluĢur.
Aynı zamanda bu kanallar elektrik akımını toplama görevini de üstlenir. PEM‟lerin çalıĢma sıcaklığı 80-90ºC gibi çok düĢük sıcaklıklarda ve çalıĢma basınçları da 1-8atm basınç arasındadır. Bu tip yakıt hücreleri belli bir nem oranında hidrojen ve oksijen ile çalıĢabilmektedir. PEM‟ler 350mW/cm² gibi yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir ve Ģu anda ticari olarak 100-500W güç aralığında elde edilebilir durumdadırlar. Yatırım maliyetleri de 5000-13000$ arasında değiĢmektedir. Membran ve katalizör maliyetlerindeki düĢüĢ ile ve seri üretime geçilmesi durumunda bu maliyetler 10-20 kat aĢağıya inebilecektir. Yüksek güç yoğunluğu, hızlı ve çabuk marĢ yapabilme ve değiĢken güç çıkıĢına uygun olması PEM‟lerin ulaĢım alanında kullanılabilmesini uygun kılmaktadır (Döner, 2012).
2.3.3 Fosforik asit yakıt pili (FAFC)
Elektrokimyasal olarak fosforik asitin kullanıldığı bu yakıt pilinde bağıl olarak temiz yakıtlar (doğalgaz, LPG gibi) veya gazlaĢtırıcıdan alınan temizlenmiĢ kömür gazı kullanılır. Pazara en yakın iki uygulama üzerinde durulmaktadır. Bunlar güç santralleri ve kojenarasyon üniteleridir. PAFC‟inde soy metal elektro katalizör kullanmak gerekmektedir. Bu dezavantajına rağmen fosforik asit bir elektrolit olarak mükemmel ısıl, kimyasal ve elektrokimyasal kararlılık gibi avantajlar sağlamaktadır. Ayrıca PAFC‟ler atık ısıdan yararlanabilme açısından çok avantajlıdır. PAFC sistemleri yeryüzündeki uygulamalarda en çok geliĢme gösteren sistemlerdir. Çoğunlukla apartmanlar, alıĢveriĢ merkezleri gibi yerlerde elektrik üretmek amacıyla kullanılmaktadırlar. PAFC‟ler 250W‟dan 200kW‟a kadar, 24V‟luk elektrik jeneratörü Ģeklinde ticari olarak piyasaya sunulma aĢamasındadır. Yakıt olarak doğalgaz kullanan 200kW‟lık bir PAFC sisteminde yatırım maliyeti 287 $/kW‟dır. PAFC‟ler sabit bir çıkıĢ seviyesinde en iyi verimde çalıĢabilmektedirler. Hibrit bir sistem ile ivmelenmenin gerektirdiği yüksek güç gereksiniminin baĢka araçlarla karĢılanması durumunda daha iyi performans göstermektedir. PAFC‟lerin en iyi uygulamaları ağır yük taĢıtları ya da lokomotifler olacaktır (Döner, 2012).
2.3.4 ErimiĢ karbonatlı yakıt pili (EKFC)
Eriyik karbonatlı yakıt pillerinde yakıt olarak genelde lityum/potasyumkarbonat kullanılır. EKFC‟ler 600-650ºC sıcaklıkta çalıĢır ve son dönemlerde geliĢtirilen ikinci nesil yakıt pillerindendir. Anotta CO2‟ce zengin gaz ürün ve H2O üretimi sağlanır, CO2
katotta giren hava ile karıĢtırılmak üzere gönderilir. EKFC iĢletim sıcaklığı yüksek olması nedeniyle değerli atık ısı, proses ısısı ve kojenarasyon amaçlı olarak kullanılabilir. En önemli avantajları hücre içindeki kendi atık ısısı desülfürizasyondan geçmiĢ metanın anot odasında hidrojene dönüĢtürülmesi için doğrudan kullanılabilmektedir. EKFC‟ler için hedeflenen yatırım maliyeti 1000$/kW seviyesindedir (Döner, 2012).
2.3.5 Katı oksit yakıt pili (KOFC)
Katı oksit yakıt pilleri katı haldeki yakıt pilleridir. Hücre malzemelerinin çoğu özel seramik ve nikelden oluĢmaktadır. ÇalıĢma sıcaklığı 1000ºC civarındadır. Yakıt olarak CO ile birleĢmiĢ halde hidrojen kullanılmaktadır ve reaksiyon ürünü olarak ta su buharı ve CO2 çıkmaktadır. SOFC‟ler kojenarasyon ünitesi olarak hem elektrik hem de ısının kullanılabileceği yerlerdir. 1000ºC dahi elde edilecek buhar ile bir buhar türbini çevrimini kombine olarak birleĢtirebilir. Böylece toplam sistem verimi %50–55 mertebesine ulaĢabilmektedir. ġu anda hesaplanan yatırım maliyetleri 1500$/kW mertebesindedir (Döner, 2012).
PEM yakıt pilleri en yüksek performansta saf hidrojenle çalıĢmaktadır. Ancak hidrojenin en hafif element olması nedeni ile taĢınması ve depolanması çok zor olmaktadır. Bu durum taĢınabilir cihazlarda PEM yakıt pillerinin kullanımını imkansız hale getirmektedir. Metanol‟un kolay depolanması, oda sıcaklığında sıvı formda olması ve yüksek enerji yoğunluğu nedeni ile taĢınabilir cihazlar için doğrudan metanol yakıt pilleri iyi bir güç kaynağı adayı olmaktadır. Bu nedenle bu çalıĢmada doğrudan metanol yakıt pilleri ele alınacaktır.
BÖLÜM III
DOĞRUDAN METANOL YAKIT PĠLLERĠ
3.1 Doğrudan Metanol Yakıt Pili
Farklı uygulama alanlarına sahip kendine has özellikleri olan yakıt pillerinin her birinin birçok avantajı olduğu gibi dezavantajları da vardır. Bunlar arasında en önemli olanları hidrojen depolama iĢlemleri ve pahalı olmalarıdır. Ayrıca yüksek moleküler ağırlıklı hidrokarbon yakıtlardan (gazolin ve dizel gibi) ya da alkollerden hidrojen elde etme iĢlemi, yüksek iĢlem sıcaklıkları ve gaz arındırma basamakları ek prosesler ve yardımcı elemanlar gerektirmektedir. Bu adımlar da sistemi kompleksleĢtirirken bir yandan da sistemin verimini düĢürmektedir.
Direkt olarak hidrojen kullanılan yakıt pillerinde verim çok yüksek olmaktadır. Buna rağmen hidrojen gazının hacimsel enerji yoğunluğunun çok düĢük olması bu gazın küçük elektronik cihazlarda kullanımını zorlaĢtırmaktadır.
ġekil 3.1. Doğrudan metanol yakıt pili
Hidrojen yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir yakıt olsa da bu enerjiyi kontrol etmek güçtür. Tablo 3.1‟de görüldüğü gibi metanol en iyi hidrojen taĢıyıcısıdır. Bununla beraber bizim için daha da önemlisi metanolün direkt yakıt olarak kullanılabilmesidir.
Metanolün direkt yakıt olarak kullanılması hidrojen elde etme ve hidrojen depolama
metotlarına ihtiyaç duyulmaması anlamına gelmektedir. Metanol kolaylıkla ulaĢılabilen, düĢük maliyetli sıvı bir yakıt olup benzine çok yakın bir enerji yoğunluğuna sahiptir.
Eğer bu yakıt, yakıt pillerinde kullanılırsa ortaya çıkan yakıt pili sisteminin ağırlığı oldukça azalacaktır.
Metanolün net enerji yoğunluğu Tablo 3.1‟de belirtilen diğer seçeneklerden daha yüksektir ve özellikle hidrojen depolama zorunluluğu olan ilk iki seçenekten daha yüksek olduğu görülmektedir. Bu da doğrudan metanol yakıt pillerinin en büyük avantajıdır. Bunların dıĢında kullanım kolaylığı ve sisteme çok hızlı bir Ģekilde tekrar kazandırılması da önemli avantajlarındandır.
Tablo 3.1. Metanol ve hidrojen depolama teknolojileri için enerji yoğunluğu DEPOLAMA
YÖNTEMĠ
YAKIT ENERJĠ YOĞUNLUĞU
DEPOLAMA VERĠMĠ (%)
NET ENERJĠ YOĞUNLUĞU 300 Bar basınçda
kompozit silindirdeki H2
119.9 MJ/kg 0,6 0,72 MJ/kg
33.3 kWh/kg 0,20 kWh/kg
Metal Hidrür silindirler Ġçindeki H2
119.9 MJ/kg 0,65 0,78 MJ/kg
33.3 kWh/kg 0,22 kWh/kg
Metanolden H2 – direkt olmayan metanol
119.9 MJ/kg 6,9 8,27 MJ/kg
33.3 kWh/kg 2,3 kWh/kg
Direkt yakıt olarak kullanılan metanol
19.9 MJ/kg 95 18,9 MJ/kg
5.54 kWh/kg 5,26 kWh/kg
Doğrudan metanol yakıt pili bir ön yakıt iĢlemciye ihtiyaç duyulmadan metanolün doğrudan kullanımına imkân tanıyan bir yakıt pili çeĢididir (Öztorul, 2009). Yakıt olarak belirli oranda su ile karıĢtırılmıĢ metanol kullanılmaktadır. ġekil 3.1‟de Doğrudan metanol yakıt pili, ġekil 3.3‟de ise Doğrudan metanol yakıt pilinin iç yapısı görülmektedir. Doğrudan metanol yakıt pilinde anot bölgesine metanol-su karıĢımı, katot bölgesine ise hava pompası ile basınçlı hava gönderilmektedir. Doğrudan metanol yakıt pillerinde metanol anot bölgesinde katalizörlerin yardımı ile karbondioksit ve hidrojen iyonlarına ayrıĢmakta, hidrojen iyonları (protonlar) membrandan geçerek katot tabakasında oksijen ile birleĢerek su oluĢturmaktadır. Anot tarafından açığa çıkan elektronlar toplanarak dıĢ devreden geçirilmekte ve böylece elektrik enerjisi elde
edilmektedir (Öztorul, 2009). ġekil 3.2‟de doğrudan metanol yakıt pili sistemi görülmektedir. ÇalıĢma sıcaklığının 50–120°C aralığında olması ve metanolün depolanabilirliğinin kolaylığı Doğrudan metanol yakıt pilini düĢük güç uygulamalarında avantajlı kılmaktadır.
ġekil 3.2. Doğrudan metanol yakıt pili sistemi (Taymaz ve Benli, 2009).
DMYP çalıĢması sırasında reformlayıcı gibi sistemlere ihtiyaç duymadığından basit yapılı ve oldukça küçük boyutlarda olabilmektedir. Ayrıca yakıt olarak kullandığı metanolün hacimsel olarak hidrojen yoğunluğu ve depolanabilir olması en büyük avantajıdır. Bu avantajlarından dolayı Doğrudan Metanol Yakıt Pilleri taĢıt uygulamaları ve taĢınabilir elektronik cihazlarda kullanımı diğer yakıt pillerine göre daha uygundur. Doğrudan metanol yakıt pilleri özellikle yüksek enerji yoğunlukları gerektiren ancak çok daha az bir gücün yeterli olacağı mobil telefonlar, yüksek özellikli dijital sistemler veya dijital kameralar için iyi bir güç kaynağı olabilir.
Doğrudan metanol yakıt pilleri elektronik sistemlerde kullanılan Ģarj edilebilen lityum- iyon pillerine en iyi alternatiftir. Kullanım sırasında lityum iyon piller gibi Ģarj edilmesine gerek kalmadan biraz metanol eklenerek çok hızlı Ģekilde Ģarj edilebilmektedir. Bu özelliği ile lityum iyon pillere çok önemli bir rakip olabilme potansiyeline sahiptir. Ancak enerji yoğunluğu, fiyatı ve güvenilirliği konusunda henüz rekabet edecek düzeye gelmemiĢtir.
ġekil 3.3. Doğrudan metanol yakıt pili yapısı (Altıner, 2006).
3.2 Doğrudan Metanol Yakıt Pilinin ÇalıĢma Prensibi
Doğrudan metanol yakıt pillerinde anot ve katotta reaksiyonlar meydana gelmekte ve elektrik enerjisi elde edilmektedir. Doğrudan metanol yakıt pilinde teorik olarak reaksiyonların Ģu Ģekilde gerçekleĢmesi beklenmektedir; tepkime sonucu katot üzerinde oluĢan su ile yakıt hücresine dıĢarıdan verilen metanol-su karıĢımı anot üzerinde elektrokimyasal bir reaksiyona girmektedir. Reaksiyon sonucunda metanol parçalanarak protonlar, elektronlar ve karbondioksit meydana getirmektedir. OluĢan protonlar seçiciliğe sahip polimer elektrolit zardan geçerek katoda ulaĢmakta ve katot üzerinde dıĢarıdan verilen havanın oksijeni ile reaksiyona girerek su oluĢturmaktadır. Reaksiyon sonucu meydana gelen elektronlar ise iletken tel vasıtası ile dıĢ devrede gerilim oluĢmasına ve böylelikle elektrik üretilmesine neden olmaktadır. Anot (EĢitlik 3.1) ve katotta (EĢitlik 3.2) meydana gelen reaksiyonlar ve toplam reaksiyon (EĢitlik 3.3) aĢağıda verilmektedir;
Anot Reaksiyonu : CH3OH(sulu)+H2O(sıvı) CO2(g)+6H+(sulu)+6e- (3.1) Katot Reaksiyonu : 3/2O2(g)+ 6H+(sulu)+6e- 3H2O(sıvı) (3.2) Toplam Reaksiyon : CH3OH(sulu)+ 3/2O2(g) CO2(g) +2H2O(sıvı) (3.3)
Toplam reaksiyonda da görüldüğü gibi tepkime sonucu karbondioksit gazı, su ve ısı açığı çıkmaktadır. Tek hücreli doğrudan metanol yakıt pilinin çıkıĢ gerilimi 0,2 Volt ile 0,6 Volt arasında değiĢmektedir. ÇıkıĢ gerilimi yakıt pilinden çekilen akıma veya güce
bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir. ġekil 3.4‟de Doğrudan metanol yakıt pilinin V/I karakteristiği görülmektedir. Yakıt pilinin çıkıĢ gerilimi çok düĢük olduğundan dıĢarıda veya yakıt pili içerisinde hücreler seri bağlanarak çıkıĢ voltajı arttırılabilir. Doğrudan metanol yakıt pilinin çalıĢma sıcaklığının 50-120 °C arasında olması bu tip yakıt hücrelerini küçük ve orta ölçekli uygulamalar için çekici hale getirmektedir.
Günümüzde, pratikte elde edilen verim %45 civarında iken hedef %55 civarıdır (Öztorul, 2009).
ġekil 3.4. Doğrudan metanol yakıt pilinin V/I karakteristiği (Altıner, 2006)
3.3 Doğrudan Metanol Yakıt Pilinin Kullanım Alanları
DüĢük çalıĢma sıcaklığına sahip olması ve sıvı yakıt beslemesinin doğrudan uygulanması, Doğrudan Metanol Yakıt Pilini düĢük ve orta dereceli güç uygulamalarında kullanılabilir hale getirmektedir. Dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları ve el kameralarının çalıĢma özellikleri dikkate alındığında; çalıĢma sıcaklığı, yakıt imkânı ve hızlı cevap verme özellikleri önemli değiĢkenlerdir. Bugün bu kriterleri taĢıyan yakıt pili, Doğrudan metanol yakıt pilidir.
DMYP teknolojisi oldukça yeni olduğundan yüksek güç sistemleri olan taĢıt, jeneratör, sabit güç üretim sistemi gibi uygulama alanlarındaki çalıĢmalar hızlı bir Ģekilde devam etmektedir. Bu uygulama alanlarından biri olan taĢıt uygulamalarında DMYP
kullanımının artacağı düĢünülmektedir. AĢağıda bazı uygulamaları görülmektedir.
Toshiba‟nın geliĢtirdiği ġekil 3.5‟de görülen Laptop Metanol-Oksijen karıĢımı yakıt kullanan bir DMYP ile çalıĢmaktadır. PC‟ye batarya olmaksızın doğrudan enerji sağlayan yakıt pili sıradan bir Li-ion pile göre 5 kat daha fazla enerji yoğunluğuna sahiptir. ġarj edilme zorunluluğu olmadığından sadece metanol takviyesi ile kesintisiz çalıĢma imkânı sağlamaktadır.
ġekil 3.5. Toshiba‟nın geliĢtirdiği DMYP ile çalıĢan Laptop
ġekil 3.6. Hitachi‟nin geliĢtirdiği prototip yakıt hücresi kartuĢu
Hitachi‟nin geliĢtirdiği ġekil 3.6‟da görülen prototip yakıt hücresi kartuĢu 1cm çapa
sahip ve 4,8cm‟ye 6cm uzunluktadır. Pil, ticari üründe de bu boyutu ile kullanılmaktadır. Prototip %20 dolayında metanol konsantrasyonu kullanmaktadır.
Ancak metanol yüzdesi ticari üründe %30 düzeyindedir.
Ultracell tarafından geliĢtirilen ġekil 3.7‟de görülen metanollü yakıt pili laptoplarda ve askeri amaçlarda kullanılmak üzere tasarlanmıĢtır. Kullanılan sistemin veya donanımın ihtiyacına bağlı olarak 20W ile 100W arasında güç verebilecek Ģekilde imal edilebilmektedir. Bunların yanında günümüzde DMYP ile çalıĢan otomobiller de üretilmektedir. ġekil 3.8‟de ise DMYP ile çalıĢan Ford FC5 ve Jeep Commander 2 görülmektedir.
ġekil 3.7. Ultracell firmasının geliĢtirmiĢ olduğu harici güç kaynağı
a b
ġekil 3.8. DMYP ile çalıĢan Ford FC5 (a) ve Jeep Commander 2 (b)
3.4 Metanolün Yapısı ve Özellikleri
Oda sıcaklığı ve basıncında renksiz organik bir sıvı olan CH3OH formülü ile gösterilen
metanol, genel olarak metil alkol veya odun ispirtosu olarak bilinir. Oda sıcaklığında sıvı halde bulunan metanol 65.1 Cº de kaynamaktadır. Metanol su ile her oranda karıĢtırılabilmesi mümkündür. Tablo 3.2‟de metanolün fiziksel ve kimyasal özellikleri verilmektedir. Saf metanol parlak olmayan mavimsi bir alevle yanmaktadır. Bütün organik çözücülerde her oranda çözünmektedir. Molekül ağırlığı 32.04 g/mol‟dür.
Molekülde ağırlıkça karbon (C) yüzdesi %37.49, hidrojen (H) yüzdesi %12.58, oksijen (O) yüzdesi %49.94‟dür. Su ile her oranda karıĢabilen ve biyolojik olarak mikroorganizmalar tarafından karbon ve oksijen kaynağı olarak kullanılmak üzere çok çabuk indirgenebilen bir yapıda olması metanolün çevre kirliliğine neden olacak seviyelerde birikemeyeceğini göstermektedir.
Birçok yöntemle üretilebilen metanol dağıtılmak için bekletilirken yüksek güvenlik seviyesine sahip depolarda tutulmaktadır. Metanol son derece korozif olması nedeni ile depolanmasında standart çelik tanklar yerine paslanmaz çelik tanklar kullanılmalıdır.
Metanol iyi bir çözücü olduğundan depolama yapılırken kauçuk ve plastik gibi malzemeler kullanılmamalıdır (Taymaz, 2009).
Tablo 3.2. Metanol‟un kimyasal özellikleri (Taymaz, 2009)
Metanol havada kolayca yanabilme özelliğine sahiptir, buharı kapalı ortamlarda yüksek miktarda bulunduğunda patlayıcı özellik gösterebilmektedir. Zehirli bir kimyasal
olduğundan insanlarda kalıcı körlüğe hatta ölüme sebep olabilir. Bu nedenle kullanılırken çok dikkat edilmeli, direk temastan kaçınılmalıdır.
Su ile her oranda karıĢabilerek yanıcı bir çözelti meydana getirebilen metanol; yakıt, yakıt katkısı, çözücü ve soğutucu olarak kullanılabilmektedir. Yakıt pillerinde ise hidrojen taĢıyıcı olarak kullanılmaktadır (Taymaz, 2009).
BÖLÜM IV
DOĞRUDAN METANOL YAKIT PĠLĠNĠN ELEKTRONĠK KONTROLÜ
4.1 Doğrudan Metanol Yakıt Pilinin Kontrol Kartının Tasarım AĢamaları
Doğrudan metanol yakıt pilleri kontrol ünitesi ve yardımcı elemanlar olmadan tek baĢına çalıĢmaları mümkün değildir. Yakıt pilinin verimli çalıĢabilmesi, kontrol ünitesinin ve yardımcı elemanların gerekli koĢulları yerine getirmesi ile mümkün olabilir. Bu nedenle kontrol kartının tasarlanması ve gerekli yardımcı elemanların seçimi yakıt pili için hayati önem arz etmektedir. ġekil 4.1‟de yapılacak Doğrudan metanol yakıt pili sisteminin yapısı ve kullanılacak yardımcı elemanlar ayrıntılı olarak görülmektedir.
Kontrol kartı tasarlanırken öncelikle yardımcı elemanların yakıt pilinin ihtiyaçlarını karĢılayacak Ģekilde seçilmesi ve teknik özelliklerinin alınması gerekmektedir.
Yardımcı elemanların seçiminden sonra yakıt pilinin çalıĢması için gerekli parametreler belirlenmeli ve algoritma oluĢturulmalıdır. OluĢturulan algoritma için gerekli mikrodenetleyici yazılımı yazılmalıdır.
Kontrol kartı tasarlanırken mikrodenetleyicinin çıkıĢ uçları belirlenmeli ve yardımcı elemanların kontrol edileceği devreler, yöntemler belirlenmelidir. Belirlenen devre ve yöntemlere bağlı olarak devre Ģeması çizilmelidir. Çizilen devre Ģemasının baskı devre kartı yapılmalı ve son olarak elemanlar karta yerleĢtirilerek iĢlem tamamlanmalıdır.
Yardımcı elemanlar ve kontrol kartı yakıt piline bağlandıktan sonra sistemin çalıĢtırılarak testlere tabi tutulması gerekmektedir. Deneyler yapılarak en iyi sonucu veren durumlara bağlı olarak kontrol kartı tekrar kalibre edilmeli ve son hali verilerek tasarım tamamlanmalıdır.
Kontrol kartının tasarımı yapılmadan önce yardımcı elemanların nasıl çalıĢtığının ve sistemdeki görevlerinin ne olduğunun çok iyi anlaĢılması gerekmektedir.
ġekil 4.1. Doğrudan Metanol Yakıt Pili ve kullanılan yardımcı elemanlar
4.2 Doğrudan Metanol Yakıt Pilinde Kullanılan Yardımcı Elemanlar
Yakıt pilinin çalıĢması için gerekli yardımcı elemanlar;
Yakıt pompası
Hava pompası
Sirkülasyon Pompası
Yakıt tankı
Yakıt, hava ve ısı sensörleri
Kontrol kartı
DC/DC dönüĢtürücü (Öztorul, 2009).
Ģeklinde sıralanabilir. Kontrol kartının tasarımında bu elemanların nasıl çalıĢtığının ve görevlerinin ne olduğunun iyi bilinmesi gerekmektedir. Bu nedenle öncelikli olarak yardımcı elemanlar incelenmiĢtir.
4.2.1 Yakıt pompası
Doğrudan metanol yakıt pilleri çalıĢtığı sürece metanol-su karıĢımındaki metanol sürekli azalmaktadır. Yakıt pilinin veriminin düĢmemesi için metanol-su karıĢımının belirli değerler arasında tutulması gerekmektedir. Metanol-su karıĢımını sabit tutmak için yakıt deposundan yakıt tankına yakıt pompası vasıtası ile metanol pompalanmaktadır (Younghyum vd., 2010). Yakıt pompası seçilirken yakıt pilinin büyüklüğüne ve harcadığı metanol miktarına dikkat etmek gerekmektedir. Metanol-su karıĢımındaki metanolün yüksek değerlerde olması yakıt pilinde bulunan membrana zarar vereceğinden pompanın düĢük seviyede yakıt verebilecek Ģekilde seçilmesi önemlidir.
Bazı yakıt pompaları kontrol ünitesi ile kontrol edilmektedir. Pompanın kontrol kartına gerekli bilgi gönderilerek istenilen miktarda yakıt pompalaması sağlanmaktadır.
Pompanın her çalıĢmada ne kadar yakıt pompalayacağı bilindiğinden istenilen miktar kadar iĢlem tekrarlanarak gerekli yakıt doğrudan yakıt deposuna pompalanmaktadır.
Yakıt pompalarının istenildiğinde kontrol ünitesi olmadan da direk olarak kontrol edilmeleri mümkündür. Ancak bunun yapılabilmesi için mikrodenetleyici yazılımının pompanın kontrolünü sağlayacak Ģekilde yazılması ve pompa sürücü elemanının kontrol kartına eklenmesi gerekmektedir.
ġekil 4.2. Yakıt pompası
4.2.2 Hava pompası
Doğrudan metanol yakıt pillerinin çalıĢabilmesi için katot bölgesine hava pompalanması
gerekmektedir. Bu nedenle hava pompası kullanılmaktadır. Yakıt pili çalıĢtığı sürece havanın sürekli ve sabit basınçla gönderilmesi yakıt pilinin verimi için çok önemlidir.
Özellikle yüksek akım yoğunluklarında katalitik yüzeyde reaksiyon çok hızlı olduğu için verilen oksijenin az olması gerektiği kadar gerilim veya akım üretilememesine neden olmakta, bu da yakıt pilinin verimini düĢürmektedir (Younghyum vd., 2010).
Hava pompaları çalıĢma gerilimlerine göre DC ve AC olmak üzere iki Ģekilde bulunmaktadır. DC hava pompalarında gönderilen hava basıncı gerilime bağlı iken AC hava pompalarında frekansa bağlıdır. Yakıt pilinin çıkıĢ gerilimi çekilen akıma bağlı olarak değiĢebildiği için gerilimdeki değiĢimden etkilenmemesi ve yüksek verimde çalıĢması açısından AC hava pompaları daha kullanıĢlıdır.
4.2.3 Sirkülasyon (Devirdaym) pompası
Metanol-su karıĢımı yakıt tankında bulunmaktadır. Yakıt pilinin çalıĢtığı sürece metanol-su karıĢımının yakıt tankından yakıt piline sürekli gönderilmesi gerekmektedir.
Metanol-su karıĢımını yakıt tankından yakıt piline gönderen eleman sirkülasyon pompasıdır (Younghyum vd., 2010). Sirkülâsyon pompası sadece metanol-su karıĢımının yakıt piline gönderilmesini değil aynı zamanda yakıt pilinden açığa çıkan su ve kullanılmayan metanol-su karıĢımının yakıt tankına geri dönmesini sağlayan pompadır. Yakıt pilinin çıkıĢına bağlı olarak devirdaym pompasının çalıĢma gerilim değerleri değiĢmektedir.
ġekil 4.3. Farklı sirkülasyon pompası modelleri
4.2.4 Yakıt tankı
Yakıt pilinde metanol-su karıĢımı yakıt tankında depolanmaktadır. Bununla beraber
