PEM YAKIT HÜCRELİ ARAÇLARDA TERMAL VE SU YÖNETİM SİSTEMLERİNİN TEO RİK VE NÜMERİK İNCELENMESİ YUNUS EMRE ÖZTÜRK T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PEM YAKIT HÜCRELİ ARAÇLARDA TERMAL VE SU YÖNETİM SİSTEMLERİNİN TEORİK VE NÜMERİK İNCELENMESİ Yunus Emre ÖZTÜRK 0009-0009-7983-6399 Prof. Dr. Muhsin KILIÇ (Danışman) YÜKSEK LİSANS MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BURSA – 2023 Her Hakkı Saklıdır TEZ ONAYI Yunus Emre ÖZTÜRK tarafından hazırlanan “PEM YAKIT HÜCRELİ ARAÇLARDA TERMAL VE SU YÖNETİM SİSTEMLERİNİN TEORİK VE NÜMERİK İNCELENMESİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman: Prof. Dr. Muhsin KILIÇ Başkan : Prof. Dr. Muhsin KILIÇ İmza 0000-0003-2113-4510 Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Doç. Dr. Ayşe Fidan ALTUN İmza 0000-0001-7236-8398 Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Dr. Öğr. Üyesi A. Hüsnü BADEMLİOĞLU İmza 0000-0001-6944-4900 Bursa Teknik Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Ali KARA Enstitü Müdürü ../08/2023 B.U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; − tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, − görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, − başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu, − atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi, − kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı, − ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. …/…/……… Yunus Emre ÖZTÜRK TEZ YAYINLANMA FİKRİ MÜLKİYET HAKLARI BEYANI Enstitü tarafından onaylanan lisansüstü tezin/raporun tamamını veya herhangi bir kısmını, basılı (kâğıt) ve elektronik formatta arşivleme ve aşağıda verilen koşullarla kullanıma açma izni Bursa Uludağ Üniversitesi’ne aittir. Bu izinle Üniversiteye verilen kullanım hakları dışındaki tüm fikri mülkiyet hakları ile tezin tamamının ya da bir bölümünün gelecekteki çalışmalarda (makale, kitap, lisans ve patent vb.) kullanım hakları tarafımıza ait olacaktır. Tezde yer alan telif hakkı bulunan ve sahiplerinden yazılı izin alınarak kullanılması zorunlu metinlerin yazılı izin alınarak kullandığını ve istenildiğinde suretlerini Üniversiteye teslim etmeyi taahhüt ederiz. Yükseköğretim Kurulu tarafından yayınlanan “Lisansüstü Tezlerin Elektronik Ortamda Toplanması, Düzenlenmesi ve Erişime Açılmasına İlişkin Yönerge” kapsamında, yönerge tarafından belirtilen kısıtlamalar olmadığı takdirde tezin YÖK Ulusal Tez Merkezi / B.U.Ü. Kütüphanesi Açık Erişim Sistemi ve üye olunan diğer veri tabanlarının (Proquest veri tabanı gibi) erişimine açılması uygundur. Danışman Adı-Soyadı Öğrencinin Adı-Soyadı Tarih Tarih Prof. Dr. Muhsin KILIÇ Yunus Emre ÖZTÜRK İmza İmza Bu bölüme kişinin kendi el yazısı ile Bu bölüme kişinin kendi el yazısı ile okudum anladım yazmalı ve imzalanmalıdır. okudum anladım yazmalı ve imzalanmalıdır. ÖZET Yüksek Lisans Tezi PEM YAKIT HÜCRELİ ARAÇLARDA TERMAL VE SU YÖNETİM SİSTEMLERİNİN TEORİK VE NÜMERİK İNCELENMESİ Yunus Emre ÖZTÜRK Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Muhsin KILIÇ Günümüzde yaşanan enerji krizi nedeniyle birçok endüstri yeni, yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynakları ve enerji sistemleri arayışına girmişlerdir. Otomotiv endüstrisi de benzer şekilde bu enerji krizi ve çevre kirliliği nedenleriyle içten yanmalı motor teknolojileri yerine alternatif tahrik sistemleri üzerine odaklanmıştır. Bu kapsamda proton değişim membranlı yakıt hücreleri ve teknolojileri yenilenebilir, temiz ve sürdürülebilir enerji konularında otomotiv endüstrisi için umut vadetmektedir. Bu noktada bu batarya sisteminin araçta kullanımı için termal ve su yönetim alt sistemleri bataryanın stabil, güvenli ve yüksek performansta çalışabilmesi için kritik önem arz etmektedir. Bu tez kapsamında binek bir araçta kullanılabilecek 100 kW güce sahip proton değişim membranlı yakıt hücresinin termal ve su yönetim kısımları bir boyutlu nümerik yöntem kullanılarak ele alınmış, farklı koşullar altındaki durumları incelenmiştir. Elde edilen bulguların ışığında binek bir araçta proton değişim membranlı yakıt hücresinin kullanılabilirliği ve sistem gereksinimlerinin sağlanabilirliği ortaya konulmuştur. Anahtar Kelimeler: Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreleri, Bir Boyutlu Akışkan Simülasyonları, Termal Yönetim Sistemleri, Su Yönetim Sistemleri, GT-Suite 2023, ix +60 sayfa i ABSTRACT MSc Thesis THEORETICAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF THE THERMAL AND WATER MANAGEMENT SYSTEMS IN THE PEMFC VEHICLES Yunus Emre ÖZTÜRK Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Muhsin KILIÇ Due to the current energy crisis, many industries have been working on new, renewable and sustainable energy sources and energy systems. Similarly, the automotive industry has been focusing on alternative propulsion systems instead of internal combustion engine technologies due to this energy crisis and environmental pollution. In this context, proton exchange membrane fuel cells and its technologies are promising for the automotive industry in terms of renewable, clean and sustainable energy. At this point, thermal and water management subsystems for the use of this battery system in the vehicle have critical importance for the battery to work in a stable, safe and high performance. In this thesis, the thermal and water management subsystems of a 100 kW proton exchange membrane fuel cell that can be used in a passenger vehicle are handled using one-dimensional numerical method, and their situations under different conditions are examined. According to the results of this thesis, the usability of the proton exchange membrane fuel cell in a passenger vehicle and the availability of the system requirements have been demonstrated. Key words: Proton Exchange Membran Fuel Cell, One Dimensional CFD Simulations, Thermal Management Systems, Water Management Systems, GT-Suite. 2023, ix +60 pages ii TEŞEKKÜR Bu tez çalışmasında emeği geçen danışmanım Prof. Dr. Muhsin KILIÇ başta olmak üzere, tüm akademisyen hocalarıma, her zaman yanımda olan eşim Şevval ÖZTÜRK ve aileme, manevi desteği için dostlarım Canberk MOLLA ve Candaş YURDAKUL’ a teşekkürlerimi sunarım. Yunus Emre ÖZTÜRK …/…/……. iii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ................................................................................................................................ i ABSTRACT ...................................................................................................................... ii TEŞEKKÜR ..................................................................................................................... iii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ .................................................................... vi ŞEKİLLER DİZİNİ ........................................................................................................ viii ÇİZELGELER DİZİNİ .................................................................................................... ix 1. GİRİŞ ............................................................................................................................ 1 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI ....................................... 4 2.1. Yakıt Hücresi Nedir? ................................................................................................. 4 2.2. Yakıt Hücrelerinin Tarihi ........................................................................................... 5 2.3. Yakıt Hücresi Çeşitleri ............................................................................................. 11 2.3.1. Alkali Yakıt Hücresi (AYH) .................................................................................. 11 2.3.2. Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PDMYH) .......................................... 12 2.3.3. Fosforik Asit Yakıt Hücresi (FAYH) .................................................................... 14 2.3.4. Eriyik Karbonat Yakıt Hücresi (EKYH) ............................................................... 15 2.3.5. Katı Oksit Yakıt Hücresi (KOYH) ........................................................................ 16 2.4. PDM Yakıt Hücresi Sistemi ve Komponentleri ....................................................... 17 2.4.1. PDM Yakıt Hücresi ve Batarya Bütünü ................................................................ 17 2.4.2. PDM Yakıt Hücresi Yakıt Sistemi ........................................................................ 19 2.4.3. PDM Yakıt Hücresi Hava Emiş ve Su Yönetim (Egzoz) Sistemleri ..................... 20 2.4.4. PDM Yakıt Hücresi ve Termal Yönetim Sistemi (Soğutma Sistemi) ................... 23 3.YÖNTEM VE METOT................................................................................................ 26 3.1. PDM Yakıt Hücresinin Termodinamiği ve Kimyası ............................................... 26 3.2. PDM Yakıt Hücresinin Sistem Kayıpları................................................................. 29 3.2.1. Aktivasyon Kayıpları ............................................................................................. 30 3.2.2. Yakıt Geçişi ve İç Elektrik Akımları ..................................................................... 31 3.2.3. Omik Kayıplar ....................................................................................................... 31 3.2.4. Kütle Transferi ve Derişim Kayıpları .................................................................... 31 3.2.5. Kayıplar Toplamı ve Net Gerilim Değeri .............................................................. 32 3.3. PDM Yakıt Hücresi Çalışma Koşulları .................................................................... 32 3.4. Genel Korunum Denklemleri ................................................................................... 33 3.4.1. Kütlenin Korunumu ............................................................................................... 34 3.4.2. Momentumun Korunumu ...................................................................................... 34 3.4.3. Enerjinin Korunumu .............................................................................................. 35 3.5. Bir Boyutlu PDM Yakıt Hücreli Batarya Sisteminin ve Komponentlerinin Modellenmesi ........................................................................................................... 37 3.5.1. PDM Yakıt Hücreli Batarya Sistem Modeli .......................................................... 37 3.5.2. PDM Yakıt Hücreli Batarya Termal Yönetim Sistemi Modeli ............................. 41 3.5.3. PDM Yakıt Hücreli Batarya Hava Emiş ve Su Yönetim Sistemleri Modeli ......... 45 3.5.4. Analiz Koşulları ve Çevrimler ............................................................................... 47 4. BULGULAR ve TARTIŞMA ..................................................................................... 51 4.1. PDM Yakıt Hücreli Batarya Modeli ........................................................................ 51 4.2. PDM Yakıt Hücreli Batarya Hava Emiş Sistemi Modeli ........................................ 52 4.3. PDM Yakıt Hücreli Batarya Termal Yönetim Sistemi Modeli ............................... 53 4.4. PDM Yakıt Hücreli Batarya Su Yönetim Sistemi Modeli ....................................... 54 5. SONUÇ ....................................................................................................................... 56 iv KAYNAKLAR ............................................................................................................... 58 ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................................... 60 v SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama CO2 Karbondioksit CO Karbonmonoksit H+ Hidrojen İyonu O2 Oksijen e- Elektron H2O Su H2 Hidrojen hf Entalpi (kJ/mol) ∆G Gibbs Serbest Enerjisi (kJ/mol) ∆H İç Enerji (kJ/mol) T Sıcaklık (K) ∆S Entropi (kJ/molK) W Elektriksel İş (J/mol) q Elektriksel Yük (coulombs/mol) n Molekül Başına Düşen Elektron Adedi F Faraday Sabiti E Elektrik Potansiyeli (V) η Verim VAD Açık Devre Gerilimi (V) Vakt Aktivasyon Kayıpları Nedeniyle Oluşan Gerilim Farkı (V) Vom Omik Kayıpları Nedeniyle Oluşan Gerilim Farkı (V) Vder Derişim Kayıpları Nedeniyle Oluşan Gerilim Farkı (V) VİA İç Akış Kayıpları Nedeniyle Oluşan Gerilim Farkı (V) Vhücre Hücre Oluşan Net Gerilim (V) i Akım (A) R İdeal Gaz Sabiti (J/molK) Sm Kütle ve Momentum Korunum Denklemleri için Kaynak Terimi u Hız Vektörü (m/s) ρ Yoğunluk (kg/m3) P Akışkan Basıncı (Pa) μef Akışkanların ve/veya Karışımlarının Ortalama Viskozitesi (kg/ms) K Difüzyon Tabakasının Geçirgenliği (m2) ε Difüzyon Tabakasının Gözenekliliği εm Membran Tabakasının Gözenekliliği Kf Elektro Kinetik Geçirgenlik (m 2) Kp Hidrolik Geçirgenlik (m 2) cf Sabitlenmiş Elektrik Yükünün Yoğunluğu (mol/m 3) nf İyonlarla Taşınan Elektron Miktarı (kJ/mol) ϕm İyonların Faz Potansiyeli cp Özgül Isı (J/kgK) k Isı İletim Katsayısı (W/mK) Se Enerji Korunum Denklemi için Kaynak Terimi Afg Birim Hacimde Faz Değişimi Olan Yüzey Alanı (1/m) σ Buharlaşma Katsayısı (kg/m2s) xsat Doyma Kuruluk Derecesi vi xH2O Su Buharının Kuruluk Derecesi ∆hfg Buharlaşma Isısı (J/kg) ie Akım Yoğunluğu (A/m 2) κs Geçirgen Difüzyon Tabakasının Elektrik İletkenliği (S/cm) i 2m İyon Akım Yoğunluğu (A/m ) κm Katalist Yüzeyinin Elektrik İletkenliği (S/cm) Kısaltmalar Açıklama PDM Proton Değişim Membranlı DC Direkt Akım YSYH Yüksek Sıcaklıklı Yakıt Hücresi NASA Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi AYH Alkali Yakıt Hücresi FAYH Fosforik Asit Yakıt Hücresi EKYH Eriyik Karbonat Yakıt Hücresi KOYH Katı Oksit Yakıt Hücresi OEM Original Equipment Manufacturer NEDC Yeni Avrupa Sürüş Döngüsü WLTP Uluslararası Uyumlu Hale Getirilmiş Hafif Araç Test Prosedürü US06 Tamamlayıcı Federal Test Prosedürü HSHS Hava Soğutmalı Hava Soğutucu vii ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Yakıt hücresinin temel şeması ...................................................... 4 Şekil 2.2. Volta pili (Sandstede ve arkadaşları, 2003) .................................. 6 Şekil 2.3. Grove ’un yakıt hücreli batarya modeli (Liebhafsky ve Cairns, 1968) ............................................................................................. 7 Şekil 2.4. Bacon’ un ilk yüksek basınçlı yakıt hücresi (Bacon, 1960) ......... 9 Şekil 2.5. Bacon tarafından yapılmış ilk çift katmanlı gözenekli elektrot (Adams & Bacon, 1963) ............................................................... 9 Şekil 2.6. Bacon tarafından tasarlanan yakıt hücresi sistemi (Vielstich, 1970) ........................................................................................... 10 Şekil 2.7. PDM yakıt hücreli batarya sistemi ve komponentleri ................ 17 Şekil 2.8. Temel PDM yakıt hücresi bütünü komponentleri ...................... 18 Şekil 2.9. PDM yakıt hücreli batarya yakıt sistemi .................................... 19 Şekil 2.10. PDM yakıt hücreli batarya hava emiş ve su yönetim sistemleri 21 Şekil 2.11. Mann+Hummel PDM yakıt hücreli batarya hava emiş filtresi (Harenbrock ve arkadaşları, 2020) ............................................. 22 Şekil 2.12. PDM yakıt hücreli batarya soğutma sistemi ............................... 24 Şekil 3.1. PDM yakıt hücresine olan enerji girdi ve çıktılarının şeması .... 29 Şekil 3.2. Farklı çalışma aralıklarında değişen gerilim değeri (Larminie ve Dicks, 2003, Fuel cell systems explained)............................. 30 Şekil 3.3. GT-Suite ile 100 kW PDM yakıt hücreli batarya sistem modeli 39 Şekil 3.4. Bir boyutlu model ile verilen polarizasyon eğrisi ...................... 40 Şekil 3.5 PDM yakıt hücreli batarya termal yönetimi sistemi ................... 42 Şekil 3.6 PDM yakıt hücreli batarya hava emiş ve su yönetimi sistemi .... 46 Şekil 3.7. NEDC sürüş profili ..................................................................... 48 Şekil 3.8. WLTP-Class 2 sürüş profili ........................................................ 48 Şekil 3.9. US06 sürüş profili....................................................................... 48 Şekil 3.10. Farklı sürüş koşulları ile oluşturulmuş üç senaryo ..................... 49 Şekil 3.11. NEDC yakıt sürüş koşulu ........................................................... 50 Şekil 3.12. WLTP-Class 2 yakıt sürüş koşulu .............................................. 50 Şekil 3.13. US06 yakıt sürüş koşulu ............................................................. 50 viii ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Farklı yakıt hücrelerinin temel özellikleri (Peighambardoust ve arkadaşları, 2010) ....................................................................... 11 Çizelge 3.1. PDM yakıt hücresinde aktif olarak kullanılan maddelerin entalpi ve entropi değerleri (Barbir, 2012) ................................. 27 Çizelge 3.2. Sıcaklığa bağlı olarak entalpi, Gibbs serbest enerjisi, entropi ve potansiyel gerilim değerlerinin değişimi (Barbir, 2012) ............ 28 Çizelge 3.3. Standart PDM yakıt hücreli bataryaların çalışma koşulları (Barbir, 2012) ............................................................................. 33 Çizelge 3.4. Ballard PDM yakıt hücreli bataryanın özellikleri (Ballard, 2023) ........................................................................................... 38 Çizelge 3.5. Toyota Mirai 2017 PDM yakıt hücreli bataryanın özellikleri .... 39 Çizelge 3.6. Bir boyutlu 100 kW PDM yakıt hücreli batarya modeli ana girdileri ....................................................................................... 40 Çizelge 3.7. Soğutma boruları ölçüleri ........................................................... 44 Çizelge 3.8. Genleşme tankı ölçüleri .............................................................. 44 Çizelge 3.9. Soğutma pompası özellikleri ...................................................... 44 Çizelge 3.10. Isı değiştirici özellikleri .............................................................. 44 Çizelge 3.11. Hava emiş ve egzoz borularının özellikleri ................................ 47 Çizelge 3.12. Hava kompresörü özellikleri ...................................................... 47 Çizelge 3.13. Hava filtresi özellikleri ............................................................... 47 Çizelge 4.1. PDM yakıt hücreli batarya modeli için hesaplanan değerler-1 .. 51 Çizelge 4.2. PDM yakıt hücreli batarya modeli için hesaplanan değerler-2 .. 51 Çizelge 4.3. Toyota Mirai test sonuçları (Lohse-Busch ve arkadaşları, 2018) 52 Çizelge 4.4. PDM yakıt hücreli batarya hava emiş modeli için hesaplanan değerler ....................................................................................... 52 Çizelge 4.5. PDM yakıt hücreli batarya radyatör modeli için hesaplanan değerler ....................................................................................... 53 Çizelge 4.6. PDM yakıt hücreli batarya su yönetim modeli için hesaplanan değerler ....................................................................................... 54 ix 1. GİRİŞ Günümüzde dünya birçok endüstride karşımıza çıkan net bir enerji krizi ile karşı karşıya olduğumuz bir çağda bulunmaktadır. İklim değişikliği, dünya atmosferinin bozunması, çevre kirliliği, yenilenemez enerji kaynaklarının kullanımı, emisyon gazlarının atmosfere salınımı, sürdürülemez malzemelerin kullanımı gibi etmenler dünyanın ekolojik, biyolojik ve enerji dengelerini bozmaktadır. Bu nedenle bilim insanları ve mühendisler bu problemleri çözmek adına yeni icatlar, çalışmalar, sistemler, kısaca çözümler ortaya koymak için çalışmaktadırlar. Otomotiv endüstrisi de benzer şekilde güncel durumunda çoğunlukla içten yanmalı motorlar ile araçları tahrik ettirmeleri nedeniyle ve bu motorlarda da yüksek çoğunlukla yenilenemez benzin ve dizel yakıtlar kullanıldığı için ciddi oranda emisyon gazı salınımı yapmaktadırlar. Bu noktada günümüzde bu tahrik mekanizmasına güç verecek alternatif enerjiler üzerine çalışılmaktadır. Bu amaçla otomotiv sektöründe de emisyonu azaltmak ve daha temiz enerji kullanmak için elektrifikasyon devrine girilmiştir. Bu yeni elektrifikasyon çağında başı çeken iki önemli yaklaşım bulunmaktadır. Bunlardan ilki bu tez çalışmasının da konusu olan yakıt hücresi teknolojisidir. Bunun yanı sıra lityum iyon bataryalarla da elektrik üretilip elektrik motorlarına besleme yapılması da söz konusudur. Bu noktada temiz enerji üretimi konusunda hidrojenli yakıt hücreleri çok daha umut vadedicidir. Yeşil hidrojen üretim tekniklerinin de gelişmesi ile yakıt hücrelerine beslenen hidrojen yakıt hücresindeki reaksiyonlar sonucunda su ve su buharı üreterek ortama bu karışımın salınımını yapmaktadır. Öte yandan lityum iyon bataryalarının üretim proseslerindeki kirlilik, bataryanın şarjı için gerekli olan elektriğin halen birçok uygulamada dizel jeneratörler ile üretiliyor olması ve lityum elementinin dünya genelindeki madenlerde sınırlı sayıda bulunuyor olması gibi nedenlerden dolayı %100 temiz enerji arayışında halen geliştirilmesi gereken yönleri olduğunu net bir şekilde göstermektedir. 1 Bu tez kapsamında Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreli Araçlara odaklanılmıştır. Bu tezin amacı farklı termal ve su yönetimi sistemlerinin incelenmesi ve karşılaştırılmasıdır. Tez kapsamında detaylıca bahsedildiği gibi yakıt hücrelerinin sağlıklı bir şekilde çalışabilmesi için basınç, sıcaklık, nem gibi parametrelerinin belirli kondisyonlarda çalışması gerekmektedir. PDM yakıt hücreli bir araçta farklı sürüş koşullarında bu sistemlerin ayrıca kontrol edilmesi ve bu farklı sürüş koşullarındaki sistem davranışlarının optimize edilmesi yakıt pilinin uygun şekilde çalışması için önemi kritik düzeydedir. Bu noktada sistem seviyesinde ve araç seviyesinde yapılacak nümerik 1 boyutlu analizler ile sistem ve araç seviyesi simüle edilerek termal ve su yönetim sistemleri optimize edilmektedir. Aynı prensip ile içten yanmalı motor sistemleri ve lityum iyon bataryalı araçların destek sistemleri modellenmektedir. 1 boyutlu akışkan gücü benzetim metodu diğer iki ve üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemlerine göre çok daha kompleks sistemlerin birlikte modellenmesini sunmanın yanında birçok farklı döngü ve sürüş koşulunu tüm sistem ve araç seviyesinde modelleme imkânı sunmaktadır. Diğer nümerik yaklaşımlara göre ayrıca çok daha fazla durumu eş zamanlı olarak çok daha hızlı bir şekilde çözmektedir. Bu tez kapsamında 1 boyutlu akışkan gücü benzetimi programı GT-Suite kullanılarak PDM yakıt hücreli araç termal ve su yönetim sistemleri modellenmiş ve belirli yol koşullarında simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında endüstride kullanılan PDM yakıt hücreli bataryalar referans alınarak 100 kW değerinde bir yakıt hücreli batarya modellenmiştir. Bu 100 kW değerindeki PDM yakıt hücreli bataryanın termal ve su yönetim sistemleri ve ek olarak yakıt sistemi modellenerek alınabilecek maksimum güç ve sürüş koşullarındaki durumu incelenmiştir. 1 boyutlu akışkan gücü benzetimi ile modellenen termal, su ve yakıt sistemlerinin komponentlerinin birçok farklı ölçüleri, sınır koşulları ve performans girdileri ile farklı senaryolarda modelleme imkanı bulunmuş ve optimum sistem ve komponent seçimleri yapılabilmiştir. 2 Ayrıca termal ve su yönetim sisteminin çalışma performansı ve yeterliliği incelenip araç üzerindeki kullanımın mümkün olup olmadığı irdelenmiştir. Böylece standart binek bir araç için PDM yakıt hücreli batarya kullanımının uygunluğu ortaya konmuştur. Bu noktada hedef olarak 90-100 kW değerindeki içten yanmalı motora sahip bir aracın performansına ulaşmak ve mümkünse geçmek hedeflenmiştir. Paralel olarak bu tez kapsamında yakıt hücresi tarihi, PDM yakıt hücreli batarya sistemleri, çalışma koşulları, teorik yaklaşımı gibi diğer önemli noktalar da incelenmiş ve açıklanmıştır. 3 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI 2.1. Yakıt Hücresi Nedir? Geçtiğimiz son 30 yılda yakıt pili kullanımı giderek artmıştır. Gelişen yeni teknolojilere göre (taşınabilir, sabit ve ihtiyaç duyduğu gücü sağlayabilen) yakıt pilleri, otomotiv endüstrisinde içten yanmalı motorlar yerine araçlara güç sağlamak için tercih edilebilmektedir. Bir mühendis olarak, bu yeni enerji sisteminin kapasite ve olanaklarını anlamak önemlidir. Yakıt hücrelerine bakıldığında bataryaya benzediği söylenebilir. Yakıt hücreleri enerji dönüştürücüdür ve enerjiyi taşıyabilen yakıtın kimyasal enerjisini dönüştürürler. Bilinen enerji dönüştürücü motorlar, yakıtın kimyasal enerjisini ısı ve buhara dönüştürür ve daha sonra bu enerjiyi mekanik hareket için kullanır. Ancak yakıt hücresi enerjiyi dönüştürmek için içinde hareketli bir parçaya ihtiyaç duymaz. DC akım ile doğrudan enerji sağlayabilirler. Yukarıda vurgulandığı gibi, yakıt pilleri bir pil gibidir. Yakıt hücrelerinin içinde Şekil 2.1 ile gösterildiği gibi piller gibi elektrotlar ve elektrolitler bulunur. Ama bazı farklılıkları bulunmaktadır. Piller elektrokimyasal reaksiyonlarla elektrik üretebilir. Talepleri yoktur ve deşarj olabilirler. Ancak yakıt hücrelerinde, elektrik üretmek için yakıt ve reaktanın sürekli olarak yakıt hücresine beslenmesi gerekir. Ve yakıt hücreleri, yakıt hücrelerinin besleme sistemini kesene kadar deşarj olmaz. (Barbir, 2012) Şekil 2.1. Yakıt hücresinin temel şeması 4 2.2.Yakıt Hücrelerinin Tarihi Geçtiğimiz son 30 sene içerisinde yakıt hücrelerinin araştırılması ve incelenmesi temiz enerji arayışındaki ana konulardan biri olmuştur. Ancak bu yakıt pili teknolojisinin sadece 30 yıldır geliştirildiği anlamına gelmemektedir. İlk adımları neredeyse iki yüzyıl öncesinde atılmıştır. Yakıt pillerinin tarihi incelenmek isteniyorsa yolculuğun başlangıcı aslında oksijen ve hidrojen elementlerine dayanmaktadır. Hidrojen evrende ve dünyada en çok bulunan elementlerin başında gelmektedir. Dünyanın atmosfer tabakalarından biri olan litosfer tabakası bünyesinde bol miktarda hidrojen ve oksijen bulundurmaktadır. Litosfer tabakasının yaklaşık kalınlığı 16 km olmakla beraber içerisinde 49,4% oranında oksijen ve 15,4% oranında hidrojen bulunmaktadır. Bu yapıya sahip bir atmosferde bulunmanın sonucu olarak oksijenin ve hidrojenin keşfi kaçınılmaz olmuştur. Oksijeni ilk kez Carl Wilhelm Scheele 1772 yılında keşfetmiştir. Hava ve Ateş Üzerinde Kimyasal Gözlemler ve Deneyler kitabında Scheele, atmosferde bulunan iki farklı akışkandan bahsetmektedir. Bunlardan biri yanma reaksiyonunun gerçekleştirecek kimyasal yapıya sahipken diğer gaz yanmayı önleyici bir yapıya sahiptir. Oksijenin keşfinden sonra Lavoisier, kırmızı cıva oksiti ısıtma deneylerini tekrarladı ve 1774'te araştırmayı çok daha ileri götürdü. Bu çalışmaya paralel olarak Lavoisier yanmayan hava üzerinde çalışmalar gerçekleştirdi. Çalışmaları sonucunda suyun hidrojenin yanması sonucu ortaya çıktığını keşfetti. Benzer sonuca ulaşması ile Henry Cavendish 1766 yılında hidrojeni keşfetti. Bir önceki cümlelerde bahsedildiği gibi Cavendish hidrojeni tespit eden tek kişi değildi ancak hidrojenin doğasını ilk kez tanımlayan Cavendish olmuştu. (Sandstede ve arkadaşları, 2003) Elektrokimyanın ilk adımları Galvani’ nin deneyleri ile atılmıştır. Galvani ölü kurbağalara elektrik akımı vererek deneyler gerçekleştirmiştir. Kısa bir süreliğine elektrik 5 enerjisinin kaynağı biyolojik organizmalar olarak kabul edilmiştir. Galvani ’den sonra Volta aynı deney üzerinde çalışarak bu biyolojik elektrik enerjisi üzerine odaklanmıştır ancak fark etmiştir ki kurbağaların elektrik kaynağı olmadığını, ancak elektik akımının bir indikatörü olduklarını tespit etmiştir. 1800 yılında Volta bir rapor yayınlamıştır ve raporunda yeni bir aparat olan Volta pilinden sıkça söz etmektedir. Pil o zamana kadar yapılmış ilk yüksek gerilim ile sürekli elektrik akımı sağlayan elektrik kaynağıdır. Bu pile ait şema Şekil 2.2 ile verildiği gibi görülmektedir. Faraday aynı zamanda elektrokimyayı anlamak için elektrokimya fiziksel hadisenin üzerine de çalıştı. Bu çalışmaların ışığında 1834 yılında Faraday Kanunlarını geliştirmiştir. 1- Akım üreten elektrokimyasal reaksiyon sistemden geçen elektriksel yüklemeye doğru orantılıdır. 2- Belirli miktarda elektrik yükü ile üretilen veya tüketilen malzemeler, eşdeğer ağırlıkları ile ilişkilidir. (Sandstede ve arkadaşları, 2003) Şekil 2.2. Volta pili (Sandstede ve arkadaşları, 2003) Eğer yakıt hücreleri ile alakalı çalışmalar yapmış araştırmacılar ve incelemeler incelenecek olursa Sir William Robert Grove’ un 1839 yılında ilk yakıt hücresini icat ettiğinin kabul edildiği görülebilir. Ancak yakıt hücrelerinin tarihi incelendiğinde bir ismin daha göz önünde olduğu unutulmamalıdır. Profesör Christian Friedrich 6 Schoenbein. Schoenbein’ in yaptığı yayın Grove’ un yaptığı yayından bir ay öncesinde aynı dergide yayınlanmıştır. Schoenbein ilk defa yakıt hücresinin etkilerini deneysel sonuçlarına dayanarak yayınında dile getirmiştir. Tüpleri, ortasında seyreltik sülfürik asidin bulunduğu bir platin folyo içeren hidrojen ve oksijenle doldurmuştur. Bu tüpleri Volta pili ile bağlamış ve elektrik kaynağını tüplerden çıkardığında platin folyolar arasındaki gerilimi hala ölçebilmişti, böylece gaz zinciri (hidrojen ve oksijen zincirinin gerilimi) Schoenbein tarafından keşfedildi. Grove da deneylerini benzer sonuçları alarak tamamlamıştı ancak Grove’ un çalışmasının amacı Schoenbein’ den farklıydı. Grove’ un ana konsepti gaz bataryası olarak adlandıracağı yeni bir tür batarya ortaya koymaktı. Grove yeni gazlı voltaik bataryası ile ilgili çalışmasını yayınladı. Grove dört birim hücreyi yan yana sıralayarak birbirlerine Şekil 2.3 ile verildiği gibi bağlamıştı. Suyun elektrik enerjisini akımla birlikte yakıt hücresi adını verdiği bataryaya aktardı. Grove bu yayını, çalışmaları ve araştırmaları ile yakıt hücresinin mucidi unvanını almıştır. (Sandstede ve arkadaşları, 2003) Schoenbein ve Grove' un etkisi yakıt pillerinin gelişimi için büyük önem arz etmektedir. Şekil 2.3. Grove ’un yakıt hücreli batarya modeli (Liebhafsky ve Cairns, 1968) 7 Mond ve Langer, Grove’ un yayınladığı ve geliştirdiği yakıt hücreleri üzerine çalıştılar. 1889 yılında incelemelerini yaparken yakıt hücresinin üç parçasının alanının arttırılmasının yakıt hücresinin verimini arttıracağını keşfettiler. Mond ve Langer’ in yaptığı çalışmalar günümüzde kullanılan fosforik asit yakıt hücrelerine ilham olmuş ve yol göstermiştir. (Ortiz-Rivera ve arkadaşları, 2003) Friedrich Wilhem Ostwald, Leipzig'de Fiziksel Kimya Profesörüydü. Enerji konularında profesyoneldi. Elektrokimyayı teşvik etti. Sürekli elektrik enerjisi geliştirmenin tüm yollarını aramıştır. Bu sayede yakıt hücrelerinin teorik altyapısını geliştirmiştir. (1902- 1923) (Ortiz-Rivera ve diğerleri, 2003) 1896'da William W. Jacques özellikle kömüre odaklandı. Kömürün kimyasal enerjisini elektrik enerjisine çevirmeye çalışmış ve başarmıştır. Jacques'ın icadının çalışma prensibi, bir karbon elektrot ile reaksiyona girmesi için alkali elektrolit üzerine hava enjekte etmekti. Bu prensiple bir karbon pil geliştirdi. Ancak sonucuna bakıldığında, bu pilin veriminin beklediği gibi olmadığı görülüyordu. (Andújar ve Segura, 2009) Emil Baur, Oswald’dan ilham aldı ve yakıt hücresi üzerinde çalıştı. Neredeyse tüm yakıt hücresi tiplerine odaklandı. Ancak bunlardan ikisi yakıt hücresinin tarihçesi için önemlidir. Birincisi erimiş veya yarı katı elektrolit ile yapılan yakıt pili, diğeri ise katı elektrolit ile yapılan yakıt pilidir. H. Pries, Baur' a 1930'da tipi zirkonyum olan katı oksit elektrolitli ilk YSYH' ni (Yüksek Sıcaklık Yakıt Hücresi) geliştirmesinde yardımcı oldu. (Ortiz-Rivera ve diğerleri, 2003) Baur ayrıca yakıt hücrelerini ve elektrotları özel olarak gruplara ayırdı. (Sandstede ve diğerleri, 2003) Francis Thomas Bacon, en başarılı yakıt hücresi bilimcisi ve uzmanlarından biriydi. 1938' de Şekil 2.4 ile görüldüğü gibi yüksek basınç hücresine sahip bir cihaz tasarladı ve önerdi. 8 Şekil 2.4. Bacon’ un ilk yüksek basınçlı yakıt hücresi (Bacon, 1960) Bu yakıt hücresi 210 bar basınçta ve 200 °C sıcaklıkta çalışabilmektedir. Elektrolizör olarak kullanıldığında 160 bar basınçta ve 100 °C sıcaklıkta çalışıyordu. Bu koşullarda hücrenin akım yoğunluğu, 0,89 V' ta sabitlenene kadar 13 mAcm-2 ‘ye ulaşmıştır. 1949'da Bacon, Şekil 2.5 ile görüldüğü gibi sinterlenmiş elektrot olan yeni elektrot geliştirdi. Bu çift katmanlı elektrot, nikel tozundan yapılmıştır. Bu yakıt hücresinin akım yoğunluğu 0,6 V' ta 1076 mAcm-2 idi. Şekil 2.5. Bacon tarafından yapılmış ilk çift katmanlı gözenekli elektrot (Adams & Bacon, 1963) 9 Bir sonraki adım için, farklı bir şirkette Bacon, hücrenin korozyon sorunu nedeniyle yakıt hücresinin katodu için bir kaplama geliştirdi. Bacon, yüksek iletkenlik için katmanın malzemesini saf nikel oksit olarak değiştirdi. Bu yeni yakıt pili sisteminde kullanılan elektrotlar 1/16 inç kalınlığa ve 5 inç çapa sahipti. Yakıt pili altı hücreden oluşturuldu ve elektrolit olarak (%37-50) potasyum hidroksit çözeltisi ile dolduruldu. Yakıt pilinin çalışma koşulları 200 °C sıcaklık ve 400 psi basınca sahipti. Bu şartlar ve yeni tasarım ile sürekli fazda aküden 150 W güç alan 0,2 Wcm-2 güç yoğunluğu ile çalışan bir batarya ortaya konmuştur. Bacon çalışmasını göstermiş ve raporunu 1954 yılında Londra'da yayınlamıştır. Aşağıda bahsedilen yakıt pili Şekil 2.6 ile görülmektedir. (Bacon ve Beama, 1954) (Sandstede ve diğerleri, 2003) Şekil 2.6. Bacon tarafından tasarlanan yakıt hücresi sistemi (Vielstich, 1970) Pratt & Whitney olarak bilinen şirket, Bacon'ın patentlerini 1959' da lisansladı ve 1961' de aldı. Çünkü Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (namı diğer NASA), Pratt & Whitney' e Apollo görevi için bir yakıt hücresi geliştirmesini emretti. Görevin durumuna göre yakıt hücresi yığınının ağırlığını azaltmak zorunda kaldılar. Bu sorunun üstesinden gelmek için Pratt & Whitney, potasyum hidroksit karışımının konsantrasyonunu %75 olarak değiştirdi, böylece bu karışım 200-230 °C' de hala sıvı fazını koruyabilirdi. Bu çözüm ile yığın ağırlığı azaltıldı. Ve nihayet 1966' da yakıt hücreli ilk uçuş tamamlandı. (Sandstede ve diğerleri, 2003) 10 2.3. Yakıt Hücresi Çeşitleri Yakıt hücreleri yalnız bir çeşitten oluşmamak ile birçok farklı türe sahiptir. Bu çeşitlilik endüstriye farklı kullanım koşullarında farklı yakı hücreli bataryalar kullanma imkânı sağlamaktadır. Kimi yakıt hücreli bataryalar yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta çalışırken, bir diğer kısmı daha düşük sıcaklık ve basınçta çalışma imkânı sunmaktadır. Bu noktada yakıt hücrelerini birbirinden ayıran temel özellikleri, farklı kimyasal reaksiyonlarını, fiziksel kabullerini ve çalışma koşullarını anlamak önem arz etmektedir. Bu bilgiler ışığında farklı uygulama alanları için hangi yakıt hücresinin kullanılacağı ve yeni yakıt hücrelerinin geliştirilmesi gibi konularda farklı tür yakıt hücrelerinin incelenmesinin yardımcı olacağı aşikardır. Genel olarak farklı yakıt hücreleri ve farklı koşulları Çizelge 2.1. Farklı yakıt hücrelerinin temel özellikleri (Peighambardoust ve arkadaşları, 2010) ile verildiği gibi görülebilir. Çizelge 2.1. Farklı yakıt hücrelerinin temel özellikleri (Peighambardoust ve arkadaşları, 2010) Çalışma Güç Yakıt Yakıt Ömür Maliyet Sıcaklıkları Yoğunlukları Hücreleri 2 Verimi (saat) ($/kW) (°C) (mW/cm ) AYH 60-90 100-200 40-60 >10000 >200 FAYH 160-220 200 55 >40000 >3000 PDMYH 50-80 350 45-60 >40000 >200 EKYH 600-700 100 60-65 >40000 >1000 KOYH 800-1000 240 55-65 >40000 >1500 2.3.1. Alkali Yakıt Hücresi (AYH) Yakıt hücrelerinin tarihi kısmında da dile getirildiği gibi alkali yakıt hücresi endüstride devreye alınan ve uygulama alanlarında kullanılan hidrojenden elektrik üretimini mümkün kılan ilk yakıt hücresiydi. Alkali yakıt hücreleri genel olarak sıvı potasyum hidroksit katkılı bir elektrolit kullanmaktadır. Genel olarak kullanılan potasyum hidroksit oranı %30 civarlarındadır. 11 Bu noktada belirli miktarda kullanılan sıvı potasyum hidroksit sürekli sirküle edilerek soğutma amacıyla kullanılmaktadır. (McLean ve arkadaşları, 2002) Alkali yakıt hücresindeki elektrodlar iki farklı katmandan oluşmaktadır. Bunlardan biri aktif elektro katalist katmanı ve diğeri de hidrofobik katmandır. Bu noktada hidrofobik tabaka reaksiyon gazlarının sızmasını önler ve reaksiyonun başlamasını tetikleyici bölgeye gazların difüzyon ile aktarılmasında rol oynar. Bu difüzyonu gerçekleştirebilmek için organik ve gözenekli bir yapıya sahip olması gerekmektedir. (De Geeter ve arkadaşları, 1999) Genel olarak alkali yakıt hücrelerinin çalışma koşullarına bakılacak olursa 1 atm basınçta 65 °C ile 220 °C sıcaklık aralıklarında çalışmaktadır. Sıcaklık aralıklarına bakıldığında da görüldüğü gibi düşük sıcaklıklı yakıt hücreleri grubuna girmektedir. Her hücre yaklaşık olarak 1.2 V elektrik akımı sağlayabilmektedir. Yüksek verimlilikli, korozyon riski olmayan ve hafif bir yakıt hücresidir. Ancak düşük CO2 toleransı nedeniyle CO ppm oranı ve çökelti oluşturma ihtimali çok yüksektir. Bu nedenle sisteme beslenen oksijen ve hidrojenin saflığının çok yüksek olması beklenir. Ayrıca elektrolit kısmında kullanılan sıvı potasyum hidroksit kontrol etmesi ve bakımı oldukça güç bir yakıt pili olmasına neden olmaktadır. Bu gibi etkiler nedeniyle de ömür olarak diğer yakıt hücrelerine kıyasla daha kısa ömürlüdür. (Andújar ve Segura, 2009) 2.3.2. Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PDMYH) Polimer yapıdaki ilk membran teknolojisi General Electric tarafından ortaya konulmuştur. Proton değişim membranlı yakıt hücreleri yüksek sıcaklıkta çalışan yakıt hücrelerinden ayrılarak düşük sıcaklık sınıfına girmiştir. Çalışma sıcaklık aralığı genel olarak 60-80 °C aralığındadır. Yüksek güç yoğunluğu ile elektrik sağladığı sistemlerin güç taleplerine hızlı bir şekilde cevap verebilmektedirler. Düşük sıcaklık ve yüksek enerji yoğunluğu sayesinde otomotiv uygulamalarında sıkça karşılaşılmaktadır. 12 PDM yakıt hücreleri elektrolit üzerinden 2H+ iyonlarını taşır. Artı yüklü hidrojen iyonlarını taşıdığı için adını bu özelliğinden almaktadır. Alkali yakıt hücrelerine nazaran CO2 toleransı bulunmamaktadır. Bu da atmosferden aldığı havayı direkt olarak kullanabilme imkânı sağlamaktadır. Bu özellikleri ile 50 W’ tan 120 kW’lara kadar geniş bir aralıkta enerji sağlayabilmektedirler. (Andújar ve Segura, 2009) PDM yakıt hücreleri katot tarafında oksijen ile, anot tarafında ise hidrojen ile beslenmektedir. Anotta molekül başına 2 elektron kaybeden ve hidrojen iyonu halini alan hidrojen, değişimli membran yardımı ile katot tarafına geçer. Ardından beslenen oksijen ve iletilen elektronun birleşmesi ile su meydana gelmektedir. Katot tarafındaki çıkış manifoltu ile oluşan su ve su buharı sistemden uzaklaştırılır. Böylece sistem elektrik üretimi için gerekli olan reaksiyonları gerçekleştirmiş ve elektrik akımını üretmiş olur. PDM yakıt hücreleri, anot ve katot arasında kullandığı katı polimer film tabakası sayesinde düşük sıcaklıklarda çalışma imkânı sunar ve bu imkânı sağlarken diğer yakıt hücrelerine kıyasla daha az karmaşık bir yapı sağlar. Yüksek voltaj, yüksek akım ve yüksek güç yoğunlukları sayesinde birçok uygulama alanında etkin kullanım şansı vardır. Bunların yanında reaksiyona girecek gaz veya sıvılar için farklı basınç değerlerinde çalışabilme yeteneğine sahiptir. (Andújar ve Segura, 2009) Elbette mükemmel olmamakla birlikte, beslenen hidrojenin içerisinde herhangi bir kontaminant bulunmamalıdır. Reaksiyonun gerçekleştirilebilmesi için belirli aralıklarda nemlendirilmeli ve belirli aralıklarda da oluşan su ve su buharının tahliye edilmesi gerekmektedir. Bu da sisteme ekstra komponent eklenmesini beraberinde getirir. Ayrıca membran ve katalist kısımlarında sırasıyla katı polimer ve platinyum gibi pahalı malzemeler kullanılması gerekmektedir. Bu da PDM yakıt hücrelerinin maliyet değerini arttırmaktadır. (Peighambardoust ve arkadaşları, 2010) Yine de gelişen teknolojiler ile bu maliyet ve mühendislik problemleri için alternatif ve efektif çözümler üretilmektedir. Yakın gelecekte bu problemlerin azalacağı aşikardır. 13 Bu çalışma kapsamında otomotivde kullanıma en yatkın olan PDM yakıt hücreleri üzerine odaklanılmıştır. Bu noktada bir sonraki bölümlerde PDM yakıt hücresi ve PDM yakıt hücresi sistemi detaylıca ele alınmıştır. 2.3.3. Fosforik Asit Yakıt Hücresi (FAYH) Fosforik asit yakıt hücresi adını elektrolit kısmında kullanılan fosforik asitten almaktadır. Genel olarak bu yakıt hücreleri direkt saf oksijen yerine PDM yakıt hücreleri gibi hava kullanmaktadırlar. Fosforik asit yakıt hücreleri ortak kullanım inşaat yapılarında enerji sağlamak için sıkça kullanılmaktadır. Ortalama bir fosforik yakıt hücreli bataryanın her bir hücresi elektrik üretimi safhasında yaklaşık %40 verimlere ulaşabilmektedir. PDM yakıt hücreli bataryalara kıyasla çalışma sıcaklıkları bir miktar daha yüksektir. Yaklaşık olarak 1 atm basınç altında 150-200 °C aralığında bir çalışma koşulu imkânı sunar. Bu noktada sözü edilen bu hücreler hücre başı 1,1 V gerilim ile elektrik akımı üretirler. PDM yakıt hücreleri ile benzer şekilde elektrolitlerinde hidrojen iyonu geçmektedir. Adını aldığı fosforik asit kısmı elektrolit yapısının içerisinde bulunmaktadır. Elektrolit silisyum karbürden yapılmış bir matristen ve içerisinde belirli oranda bulunan fosforik asitten oluşmaktadır. Benzer şekilde asit olarak fosforik asit yerine sülfürik asit kullanan yakıt pili örnekleri de bulunmaktadır. Bu asidik ortama yerleştirilmiş 200 °C gibi sıcaklıklara dayanan yakıt hücresi elektroliti sistemde stabil çalışma imkânı sunmaktadır. Karbondioksite olan toleransları çok yüksek olduğu için herhangi bir problem yaşamadan hava ile direkt etkileşime girebilirler ve orta sıcaklıklarda çalışan yakıt hücresi grubuna girdikleri için kayıp olan ısının belirli bir miktarını eş zamanlı jenerasyon uygulamalı örneklerinde kullanma şansları bulunmaktadır. 14 Ancak verim olarak diğer yakıt hücrelerinin gerisinde kalmasının yanında ayrıca asidik yapısı nedeniyle normal koşullar altında korozyona eğilimli ve yapısı gereği ağır ve büyük hacimlidirler. Bu nedenle bazı yerleştirme ve güvenlik sorunlarından kaçınmak zorlaşmaktadır. (Andújar ve Segura, 2009) 2.3.4. Eriyik Karbonat Yakıt Hücresi (EKYH) Eriyik Karbonat yakıt hücreleri elektrolit olarak lityum karbonat ve potasyum karışımı bir elektrolit kullanmaktadır. Diğer yakıt hücrelerinden farklı olarak eksi yüklü karbonat iyonlarını taşıyarak elektrik üretimi sağlamaktadır. Bu noktada bu transfer işlemi yine diğer yakıt hücrelerinden farklı olarak iyon transferini anottan katoda olacak şekilde değil de katottan anota olacak şekilde gerçekleştirmektedir. 600-700 °C gibi sıcaklık aralıklarında çalışma imkanı sunan eriyik karbonat yakıt hücreleri, diğer düşük ve orta sıcaklık yakıt hücrelerine göre çok daha geniş basınç aralıklarında çalışabilmektedirler. Bu basınç aralığı genel olarak 1-10 atm basınç aralığında değişmektedir. Her bir hücre yaklaşık olarak 0,7-1 V arası gerilim ile elektrik akımı sağlayabilmektedir. Çok yüksek boyut aralıklarında güç sağlayabilen ve reaksiyon esnasında oksijen yanında karbondioksit gazına ihtiyaç duyan bir yakı hücresi türüdür. Diğer yakıt hücresi sistemlerinden farklı olarak elektrolitten geçen karbonatın hidrojenle olan reaksiyonu sonucu oluşan karbondioksiti bir çevrim vasıtasıyla katot tarafına geri beslemek gerekmektedir. Böylece reaksiyon ve yakıt hücresi verimi arttırılabilir. Yüksek enerji verimleri, yüksek miktarda ısı açığa çıkartmaları ve herhangi bir değerli metal kullanımına ihtiyaç duymadıkları için avantaja sahiptirler ancak çalışmaya başlaması için ön ısıtmaya, düşük sülfür toleransına ve sıvı elektrolit kullanımı nedeniyle kontrol ve bakım problemlerine sahiptir. (Andújar ve Segura, 2009) 15 Genel olarak üç ana başlıkta kullanım alanlarından bahsedilebilir. Enerji üretme, dönüştürme ve depolama, malzeme ve üretim prosesleri ve son olarak ileri gaz prosesleri ve gazlaştırma teknolojileri başlıca kullanım alanlarıdır. (Frangini ve Masi, 2016) 2.3.5. Katı Oksit Yakıt Hücresi (KOYH) Katı oksit yakıt hücreleri diğer yakıt hücrelerinden farklı olarak genelde katı oksit zirkonyum, nikel veya kobalt elektrolitlerinden negatif oksijen iyonlarını transfer ederek elektrik akımı üretirler. Diğer bölümlerde bahsedilmiş olan yakıt hücrelerine kıyasla 1000 °C gibi sıcaklıklarda çalışarak yüksek sıcaklık yakıt hücresi sınıfına girmektedirler. Genel olarak hücre başın 0,8 V ya da 1 V gibi bir gerilim ile elektrik akımı üretmektedirler. (Andújar ve Segura, 2009) Ayrıca diğer yakıt hücrelerinde farklı olarak katı oksit yakıt hücresini tabaka ve tüp formunda üretme metodu bulunmaktadır. Farklı uygulama alanlarında bu çeşitlilik avantaj sağlayabilmektedir ancak şekil değişim ile güç yoğunluğu, üretim maliyeti, yüksek sıcaklıkta hücrenin formunu ve sızdırmazlığını koruması gibi özellikler açısından birbiri arasında farklılıklar oluşabilmektedir. Bu konu hakkında iki farklı konfigürasyonu Timurkutluk ve arkadaşları detaylı olarak incelemiştir ve genel olarak plaka formundaki katı oksit yakıt hücrelerinin performans ve maliyet açısından daha avantajlı olduğunu ortaya koymuşlardır. (Timurkutluk ve arkadaşları, 2016) Yüksek sıcaklık sınıfına girmesi ile bünyesinden reaksiyon sonucu yüksek miktarda ısı açığa çıkartabilir ve bu yüksek sıcaklık sayesinde reaksiyon hızı ciddi oranda artmaktadır. Bununla birlikte yüksek verim ve performans elde etmek mümkün hale gelir. Genel olarak bakıldığında eriyik karbonat yakıt hücrelerine kıyasla çok daha yoğun akım üretimi yapabilmektedirler. Elektrolit kısmı tamamen katı olduğu için sıvı elektrolitler gibi bakım ve kontrol açısından daha az sorun ortaya çıkmaktadır. Ancak benzer şekilde sülfüre karşı toleransı düşüktür ve teknolojisi yeterince gelişmiş değildir. (Andújar ve Segura, 2009) 16 2.4. PDM Yakıt Hücresi Sistemi ve Komponentleri Genel olarak PDM yakıt hücresi ile çalışan sistemler belirli komponentleri sistemlerinde bulundurmak zorundadırlar. Bahsi geçen komponentlerin varlığı PDM yakıt hücresinin stabil ve en verimli halinde çalışabilmesi için gerekli olan kritik komponentlerdir. Bu çalışma kapsamında özellikle otomotiv sektöründe binek araçlarda kullanılması hedeflenen PDM yakıt hücresinin etkin çalışması için gerekli olan komponentlerden bahsedilmiştir. Şekil 2.7 ile PDM yakıt hücreli batarya sistemleri gösterilmiştir. Şekil 2.7. PDM yakıt hücreli batarya sistemi ve komponentleri 2.4.1. PDM Yakıt Hücresi ve Batarya Bütünü Hücre yapısı temelde PDM yakıt hücreli bataryanın elektrik akımını ürettiği ve elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği ana bütün olarak düşünülebilir. Temel olarak ana hücre bütünü Şekil 2.8 ile gösterildiği gibi katot ve anot elektrotları, membran ve katot ve anot kolektörlerinden oluşur. 17 Şekil 2.8. Temel PDM yakıt hücresi bütünü komponentleri PDM yakıt hücreleri için en kritik parça adını da aldığı polimer membran yapısı ve iki tarafında bulunan gözenekli elektrotlardır. Bu gözenekli yapılar sayesinde reaktif sistem gazları difüze olarak istenilen dağılımı sağlayabilmektedirler. Şekil 2.8 ile gösterilen yapı ayrıca üretim aşamasında da birlikte bir araya getirildiği için membran elektrot bütünü olarak da adlandırılmaktadır. (Barbir, 2012) Membran, pozitif yüklü hidrojen iyonlarını katot tarafına difüze edebilecek kadar geçirgen ve iletken olmalıdır. Aynı zamanda hidrojen ve oksijen reaksiyon gazlarının karışmasına karşı gerekli tutuculuğu sağlayıp kimyasal ve fiziksel olarak stabil bir yapıya sahip olmalıdır. (Gottesfeld ve Zawodzinski, 1997) Bu noktada Dupont tarafından üretilen Nafyon malzemesi ile membran üretimi PDM yakıt hücrelerinin membran teknolojisinde başı çekmektedir. Birçok uygulamada Nafion ile üretilen PDM yakıt hücreleri kullanılmaktadır. Şekil 2.8 ile görüldüğü gibi PDM yakıt hücresinde oluşacak reaksiyon için gerekli olan reaktif gaz ve yakıtın kolektörlere beslenmesi gerekmektedir. Şema ile gösterilmediği halde reaksiyon sonucu oluşan ısının sonucu olarak membran ve elektrot bölgesinde sıcaklık artışı söz konusudur. 18 2.4.2. PDM Yakıt Hücresi Yakıt Sistemi Hidrojen beslemesinin yapıldığı ve reaksiyona girmeyen hidrojenin tekrar beslenmesi adına geri besleme yapıldığı sistem bütününe yakıt sistemi denilmektedir. Genel olarak hidrojen tankı, basınç regülatörü, kontrol vanası, enjektör, artıma vanası ve hidrojen kompresörü gibi komponentlerden oluşmaktadır. Şekil 2.9 ile yakıt sistemi komponentleri görülebilmektedir. Şekil 2.9. PDM yakıt hücreli batarya yakıt sistemi Şekil ile de görüldüğü gibi PDM yakıt hücresi ve batarya bütününe elektrik akımını üretmesi için gerekli olan hidrojen beslemesi yapılmaktadır. Bu besleme sistemi direkt olarak enjektör veya ejektör tarafından anot kolektörüne yapılmaktadır. Bilindiği üzere hidrojenin yeterli miktarda depolanabilmesi için yüksek sıkıştırma oranlarında basınçlandırılması gerekmektedir. Birçok otomotiv çalışmasında yüksek hacimde ve birden fazla tank mevcuttur. Bu noktada tankların yüksek basınca dayanması ve sızdırmazlık konusunda avantajlı olması gerekmektedir. Bu nedenle birçok uygulamada tanklar için karbon fiber malzeme kullanımı uygun görülmüştür. Böylece 700 bar basınca kadar dayanabilen tanklar elde edilebilir. Bu yüksek basınç kapasitesi sayesinde hidrojen depolamak daha kolay hale gelmektedir. (Yoshida ve Kojima, 2015) Ancak sisteme 700 bar ile hidrojen beslemek oldukça maliyetli ve fiziksel olarak mümkün olamayacağı için bu basıncın düşürülmesi gerekmektedir. Aksi takdirde PDM yakıt hücresi bu yüksek basınca karşı dayanamaz. Yalnızca yakıt hücresi değil, hidrojenin dağıtımında rol alacak olan borularında bu basınca dayanması için ciddi bir maliyet 19 harcanması gerekmektedir. Bu nedenle yüksek basınçlı hidrojenin sisteme girmesinden önce bir basınç regülatörü kullanımı zorunludur. Basınç regülatörü ve basınç kontrol vanası ile sistemin güvenliği sağlanmaktadır. Bu noktadan sonra basıncı düşürülmüş hidrojen anot kolektörüne olabildiğinde homojen bir şekilde belirli bir basınçta dağıtılması gerekmektedir. Bu noktada önceki bölümlerde de bahsedildiği gibi PDM yakıt hücreleri belirli basınç aralıklarında çalışmaktadır ve bu nedenle sisteme bu basıncı sağlayacak ve homojen dağılım oluşturacak komponentler tercih edilmelidir. Bu gereksinimler nedeniyle komponent olarak bir ejektör veya enjektör kullanmak genel olarak uygundur. PDM yakıt hücresi içerisinde gerçekleşen reaksiyon %100 verim ile gerçekleşmemektedir. Bu nedenle reaksiyona girmeyen belirli miktardaki hidrojenin sisteme geri kazandırılıp yakıt tasarrufu yapılması gerekmektedir. Anot kolektörü çıkışında bulunan arıtma vanası vasıtasıyla içerisinde kontaminant bulunan bu hidrojen gaz karışımı arıtılarak ejektör veya enjektör kısmına kompresör yardımıyla geri beslenir. Genel olarak bu komponentlerden oluşan yakıt sistemi aslında daha kompleks bir yapıya sahiptir. İçten yanmalı motorlar gibi yakıtın belirli devirlerde ve kondisyonlarda farklı debilerde beslenmesi gerekir. Ayrıca arıtma ve güvenlik hatlarında birçok farklı döngü ve besleme elemanı bulunmaktadır ancak bu anlatım temel olarak bir PDM yakıt hücreli bataryanın yakıt sistemi için en kritik olan komponentlerini ele almıştır. 2.4.3. PDM Yakıt Hücresi Hava Emiş ve Su Yönetim (Egzoz) Sistemleri Reaktif gazın beslemesinin yapıldığı ve sonucunda reaksiyona girmeyen havanın ve katot elektrotunda oluşan su ve su buharı karışımının tahliye edildiği sistem bütününe ise hava emiş ve egzoz sistemi veya hava emiş ve su yönetim sistemi denilmektedir. Şekil 2.10 ile verildiği gibi hava emiş ve su yönetim sistemleri görülmektedir. 20 Şekil 2.10. PDM yakıt hücreli batarya hava emiş ve su yönetim sistemleri PDM yakıt hücreli bataryalarda reaktif gaz olarak oksijen kullanılmaktadır. Daha önceki bölümlerde de bahsedildiği gibi PDM yakıt hücreleri diğer bazı yakıt hücrelerine nazaran direkt saf reaktif gaz kullanımına ihtiyaç duymazlar. Bu noktada diğer yakıt hücrelerine göre kontaminant gazlara olan toleransları yüksektir. Ancak bu herhangi bir filtrasyon kullanımına gerek olmadığı anlamına gelmemektir. Sistem içerisinde bulunan kompresörün, ısı değiştiricilerin ve en önemlisi yakıt hücresinin neme, suya ve toza karşı hassasiyeti vardır. Bu nedenle hava girişi ile filtre kullanılması gerekmektedir. Bu konuda içten yanmalı araçlarda da hava emiş sistemi üretimi konusunda deneyimli Mann+Hummel firmasının yaptığı filtre elemanları Şekil 2.11 ile verildiği gibi gösterilmiştir. (Harenbrock ve arkadaşları, 2020) 21 Şekil 2.11. Mann+Hummel PDM yakıt hücreli batarya hava emiş filtresi (Harenbrock ve arkadaşları, 2020) İçten yanmalı motorlara nazaran herhangi bir emiş gücü bulundurmayan yakıt hücresi sistemleri havayı beslemek için belirli bir komponente ihtiyaç duymaktadırlar. Beslemenin gerçekleşmesi için sisteme beslenecek havanın bir kompresör vasıtasıyla basınçlandırılması gerekmektedir. Kompresörde basınçlanan havanın ideal gaz denklemine göre sıcaklığı artacağı için soğutma sistemine bağlı bir hava soğutucu radyatör ile soğutulması ve reaksiyon için en verimli sıcaklığa getirilmesi gerekmektedir. İdeal sıcaklığa getirilen havanın yakıt hücresine gönderilmesi için çalışma koşullarına uygun nem oranına sahip olması gerekmektedir. Bu noktada bir nemlendirici bulunması önem arz etmektedir. Nemlendirici gerekli nemi sağlamak için katot kolektörünün çıkışında tahliye edilen suyu kullanır. Nemlendirilen hava katot kolektör girişine beslenerek verimli reaksiyon gerçekleştirilir. Genelde fazla suyun yakıt hücresinden uzaklaştırılması gerekmektedir ve bu oluşan su kolektör çıkışında egzoz veya su tahliye boruları ile gerçekleştirilir. Ancak yakıt hücresinin reaksiyona başlaması ve sürdürmesi için elektrolitin ve elektrotların belirli bir nem oranında olması gerekmektedir. Bu nem oranı nemlendirici ile sağlansa bile belirli durumlarda fazla olan bu nem miktarının azaltılması için ayrıca su ayrıştırıcıları kullanılmaktadır. 22 Bu noktada sudan ve nemden korunmak için filtre öncesi, nemlendirici sonrası ve egzoz çıkışında su ayrıştırıcıları bulunmaktadır. Bu ayrıştırıcılarda sensörlerden aldığı verilere göre santrifüj miktarını arttırıp azaltarak fazla nem ve suyun dengelenmesini sağlamaktadırlar. Böylece sistem basit bir hava emiş ve egzoz sisteminden su yönetim sistemine evrilmiş olur. (Harenbrock ve arkadaşları, 2020) 2.4.4. PDM Yakıt Hücresi ve Termal Yönetim Sistemi (Soğutma Sistemi) PDM yakıt hücreleri elektrokimyasal bir reaksiyon sonucu elektrik akımı üretmektedirler. Elektrokimyasal reaksiyon sonucu reaksiyon çıktısı olarak ısı da ortaya çıkmaktadır. Oluşan bu ısı reaksiyon devam ettikçe artar ve yakıt hücresinin zamanla sıcaklığının artmasına neden olmaktadır. Bu sıcaklık artışı zamanla arttıkça yakıt hücresinin performansını düşürmekle beraber artmaya devam ederse yakıt hücresine zarar vermektedir. Optimum çalışma için optimum sıcaklık değerinin korunması gerekmektedir. Bu sıcaklık aralığı düşük sıcaklıkta çalışan PDM yakıt hücreleri için 60- 80 °C aralığında iken yüksek sıcaklıkta çalışan PDM yakıt hücreleri için 120-200 °C aralığında değişmektedir. (Rosli ve arkadaşları, 2017) Bu nedenle PDM yakıt hücrelerinin ve diğer yakıt hücrelerinin de optimum sıcaklıkta çalışabilmeleri için sisteme özgü soğutma sistemlerine ihtiyaç duymaktadırlar. Şekil 2.12 ile verildiği gibi PDM yakıt hücreli bir bataryanın soğutma sistemi temel olarak verilmiştir. 23 Şekil 2.12. PDM yakıt hücreli batarya soğutma sistemi Temel olarak yakıt hücreli sistemlerin soğutmasında da içten yanmalı motora sahip sistemlerin soğutma sistemindeki ısı değiştiriciler, pompalar, genleşme tankları ve borular kullanılmaktadır. PDM yakıt hücresinde üretilen ısıyı almak için soğutucu akışkan soğutma çevriminde çevrim akışkanı olarak kullanılmaktadır. Su ve glikol karışımı burada kullanılabilecek alternatif soğutucu akışkanlardan birisidir. Yakıt hücresinden çıkan akışkan soğumak üzere batarya soğutma modülüne gönderilir. (Bargal ve arkadaşları, 2020) Batarya soğutma modülü bünyesinde başta radyatör, elektro fan ve fan davlumbazından oluşmaktadır. Ayrıca farklı uygulamalarda hava soğutucu ısı değiştirici ve kondenseri de bünyesinde bulundurabilir. Modül içerisinde bulunan radyatör sayısı soğutma çevrimi sayısına göre artar veya azalır. Batarya soğutma modülü ile soğutulan akışkan içten yanmalı motorlarda kullanılan tahrikli devir daim pompasının olmaması nedeniyle elektrikli bir pompa vasıtasıyla sistem içerisinde çevrilmektedir. Çevrim esnasında sıcaklık artışıyla birlikte akışkanın bir kısmı buharlaşabilir ve soğutma sistemi basıncında artışlar meydana gelebilir. Bu basınç artışlarının önlenmesi ve ana çevrimdeki soğutucu akışkanın azalması durumunda soğutucu akışkan beslemesi 24 yapılabilmesi için genleşme tankı kullanılmalıdır. Genleşme tankı kapağında bulunan yaylı mekanizma sayesinde belirlenmiş basınç değerini aşan basınç artışları durumunda kapaktaki diyaframa kuvvet uygulayarak basıncı aynı bir emniyet vanası gibi dengelemektedir. Halk arasında yedek su tankı olarak da bilinmektedir. (Zakaria ve arkadaşları, 2016) Soğutma sistemi birçok çevrimden oluşmaktadır. Bu çevrimler diğer elektronik komponentlerin veya kritik güç aktarım organlarının soğutulması için tasarlanmaktadırlar. Ancak bu çalışma kapsamında yüksek sıcaklık çevrimi olarak adlandıracağımız PDM yakıt hücreli bataryanın soğutma çevrimi incelenecektir. 25 3. YÖNTEM VE METOT 3.1. PDM Yakıt Hücresinin Termodinamiği ve Kimyası PDM yakıt hücrelerinin katot ve anotlarında olmak üzere iki kimyasal reaksiyon gerçekleşmektedir. Bilindiği gibi anot tarafında hidrojen molekülü elektron kaybeder ve katot tarafında oksijen ile birleşerek su oluşturur. Reaksiyon dinamikleri aşağıda verildiği gibi gerçekleşmektedir. 𝐻2 → 2𝐻 + + 2𝑒− (3.1) 1 𝑂2 + 2𝐻 + + 2𝑒− → 𝐻2𝑂 (3.2) 2 Bu iki reaksiyona genel olarak bakıldığında genel denklem, 1 𝑂2 + 𝐻2 → 𝐻2𝑂 (3.3) 2 şeklini almaktadır. Herhangi bir kimyasal reaksiyon sonucu açığa çıkan ısıyı bulmak için yapılması gereken reaksiyona giren ve çıkan maddelerin ısılarının farkı ile elde edilmektedir. Bu noktada eğer bu ısı miktarı PDM yakıt hücresinde gerçekleşen reaksiyon için yazılacak olursa, 1 ∆𝐻 = (ℎ𝑓) − (ℎ𝑓) − (3.4)𝐻2𝑂 𝐻2 2(ℎ ) 𝑓 𝑂2 Bu denkleme göre sıvı suyun entalpi değeri oda sıcaklığında -286 kJ/mol olarak alınır ve oksijen ve hidrojen moleküllerinin entalpisi 0 olarak alınırsa reaksiyon sonucu açığa çıkan ısı miktarı -286 kJ/mol olarak kabul edilebilir. (Cengel ve arkadaşları, 2011, Thermodynamics: an engineering approach) Ayrıca oda sıcaklığında ve 1 atmosfer basınçta PDM yakıt hücresinde aktif olarak kullanılan maddelerin entalpi ve entropi değerleri Çizelge 3.1. ile paylaşılmıştır. 26 Çizelge 3.1. PDM yakıt hücresinde aktif olarak kullanılan maddelerin entalpi ve entropi değerleri (Barbir, 2012) Akışkan (298,15 K değerinde) Entalpi (kJ/mol) Entropi (kJ/molK) Hidrojen 0 0,13066 Oksijen 0 0,20517 Sıvı Su -286,02 0,06996 Su buharı -241,98 0,18884 Kimyasal reaksiyon sonucunda bir entropide belirli miktarda bir artış meydana gelmektedir. Bu artış nedeniyle hidrojenin yanma reaksiyonu sonucunda üretilen enerji tamamen elektrik enerjisi olarak kullanılamaz ve entropi artışı ile paralel olarak belirli bir miktarda ısı enerjisi açığa çıkar. Bu belirli orandaki ısı ve elektrik üretimi oranı Gibbs serbest enerjisi olarak adlandırılmaktadır ve aşağıda verildiği gibi denklem görülebilir. ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 (3.5) Denklem ile de net görüleceği gibi sistem içerisinde tersinmezlik nedeniyle bazı kayıplar olması gerekmektedir. Benzer şekilde entropi miktarı reaksiyona giren ve çıkan maddelerin farkı alınarak bulunabilir ve Gibbs serbest enerjisi elde edilebilir. Genel olarak bir elektrik işinden bahsedilmesi gerektiğinde bu işe etken iki parametre bulunmaktadır. Bunlar elektriksel akım ve gerilimdir. Bu noktada bu elektriksel iş basitçe (3.6) ile verildiği gibi ifade edilebilir. 𝑊 = 𝑞𝐸 (3.6) Burada W elektriksel işi J/mol cinsinden, q elektriksel yükü coulombs/mol cinsinden ve E ise elektrik potansiyelini Volt cinsinden ifade etmektedir. Burada elektriksel yük elektrik teorisine göre Faraday sabiti (F) ve elektrokimyasal reaksiyon sonucu oluşan elektrik ile olan bağıntısı nedeniyle molekül başına düşen elektron (n) olarak yazılacak olursa denklem 3.6 aşağıdaki hali alır. 𝑊 = 𝑛𝐹𝐸 (3.7) 27 Teorik olarak sistemin yaptığı iş ile denklem 3.5 ile elde ettiğimiz Gibbs serbest enerji değerinin negatifine eşit olması beklenmektedir. Bu noktada eğer elektriksel iş yerine Gibbs serbest enerjisi yazılacak olursa yakıt hücresinden elde edilecek gerilim değeri hesaplanabilir. ∆𝐺 𝐸 = − (3.8) 𝑛𝐹 Teorik olarak bu değer PDM yakıt hücresi için hesaplanmak istenirse çizelgeler ile verilen değerler referans alındığında oda sıcaklığında potansiyel değeri 1.23 V olarak hesaplanmaktadır. Ek olarak potansiyel voltaj değerini etkileyen bir diğer parametrenin sıcaklık olduğu aşikardır. Eğer 3.5 denklemi ile verilen Gibbs serbest enerjisi potansiyel hesabında kullanılan 3.8 denkleminde yerine konulursa sıcaklık değişimi ile voltaj değerinin de değişeceği görülmektedir. Çizelge 3.2. ile verildiği gibi bu değişim gözlemlenebilir. Çizelge 3.2. Sıcaklığa bağlı olarak entalpi, Gibbs serbest enerjisi, entropi ve potansiyel gerilim değerlerinin değişimi (Barbir, 2012) Sıcaklık (K) ∆H (kJ/mol) ∆G (kJ/mol) ∆S (kJ/molK) E (V) 298,15 -286,02 -237,34 -0,16328 1,23 333,15 -284,85 -231,63 -0,15975 1,2 353,15 -284,18 -228,42 -0,15791 1,184 373,15 -283,52 -225,24 -0,15617 1,167 Benzer şekilde Gibbs serbest enerjisi ile verilen sıcaklık parametresi ideal gaz denklemi kullanılarak tekrardan yazılırsa sıcaklığa benzer şekilde gerilim değerlerinde değişiklik olacağı gözlemlenebilir. Bu teorik yaklaşımlar ışığında yakıt hücrelerinin teorik verimi hesaplanabilir hale gelmektedir. Şekil 3.1 ile verildiği gibi bir yakıt hücresi sisteminin enerji girdi ve çıktıları ele alınırsa teorik olarak maksimum verim bu şema üzerinden hesaplanabilir. 28 Şekil 3.1. PDM yakıt hücresine olan enerji girdi ve çıktılarının şeması Bu durumda verim hesaplanacak olursa önceki verilen çizelge değerleri referans alınarak teorik maksimum verim 3.9 denklemi ile verildiği gibi hesaplanabilir. ∆𝐺 237,34 𝜂 = = = %83 (3.9) ∆𝐻𝐴𝐼𝐷 286,02 Bu hesaplama ile bir yakıt hücresinden elde edilebilecek maksimum verim ortaya konmuş ve temel kimyasal ve termodinamik inceleme yapılmıştır. (Barbir, 2012) Bu noktada nümerik olarak yapılacak simülasyonlar sonrası araç seviyesinde modellenecek bir PDM yakıt hücreli bataryada verim değeri incelenecektir. 3.2. PDM Yakıt Hücresinin Sistem Kayıpları PDM yakıt hücreleri ve diğer tipteki yakıt hücreleri elektrokimyasal reaksiyonlar sonucunda sistem %100 verim ile çalışmadığı için belirli çeşitlerde kayıplar meydana gelmektedir. Önceki bölümde de ele alınan potansiyel gerilim hesaplamak için kullanılan denklem 3.8 ele alınsın. Bu noktada PDM yakıt hücreli bir sistem için n değeri 2 elektrona karşılık gelmektedir ve denklem 3.10 halini almaktadır. ∆𝐺 𝐸 = 𝑉𝐴𝐷 = − (3.10) 2𝐹 29 Bu denklem referans alınarak gerilim değeri yakıt hücresi için hesaplanacak olursa ortalama 100 °C civarında çalışan bir yakıt hücresi için 1,2 V gibi bir değer ile karşılaşılır. Ancak Şekil 3.2 ile de verildiği gibi bu değer gerçek koşullarda ölçülmemektedir. Bu da belirli bir kayıp olduğunu göstermektedir. Ayrıca bu denklemin bir diğer tanımı da açık devre voltaj değeridir ve birimi volttur. Şekil 3.2. Farklı çalışma aralıklarında değişen gerilim değeri (Larminie ve Dicks, 2003, Fuel cell systems explained) 3.2.1. Aktivasyon Kayıpları Aktivasyon kayıpları genel olarak elektrotlar üzerinde reaksiyon hızının azalması nedeniyle meydana gelmektedir. Kimyasal reaksiyon sonucunda reaksiyon ortamında elektronlar elektrotlardan taşınmaya başlanır ve bu süreçte taşınma esnasında oluşan gerilmede geçiş nedeniyle voltaj düşümü meydana gelmektedir. (Barbir, 2012). Bu kayıp değeri 3.11 numaralı denklem ile verildiği gibi hesaplanıp modellenmiştir. (Tafel Denklemi). 𝑅𝑇 𝑖 𝑉𝑎𝑘𝑡 = ln ( ) (3.11) 2𝛼𝐹 𝑖0 30 3.2.2. Yakıt Geçişi ve İç Elektrik Akımları Hidrojen iyonları normal teorik şartlar altında membrandan geçirilir ancak bu her zaman eldeki tüm yakıtın geçeceği anlamına gelmez. Ayrıca bazı durumlarda elektron geçirmemesi gereken elektrolit bazı elektronların geçmesine neden olabilir. Bu iki durum nedeniyle beklenen performanstan daha farklı bir performans ile karşılaşılır ve bu bir kayıp olarak sistemde tesir etmektedir. (Spiegel, 2011) 3.2.3. Omik Kayıplar Omik kayıplar temelde birçok elektrik ile çalışan sistemde karşılaştığımız bir kayıp türüdür. Sistem içerisinde elektrik akımın ve elektronların iletildiği hatlar, konnektörler ve diğer elektriksel bağlantı elemanlarının malzemeleri, yapısal ve geometrik özellikleri nedeniyle oluşan direnç nedeniyle meydana gelmektedir. Yakıt hücresinde ek olarak hidrojen iyonlarının elektrolit üzerinden akımına olan direnç olarak da görülmektedir. (Barbir, 2012). Bu kayıp değeri 3.12 numaralı denklem ile verildiği gibi hesaplanıp modellenmiştir. 𝑉𝑜𝑚 = 𝐼 × 𝑅 (3.12) 3.2.4. Kütle Transferi ve Derişim Kayıpları PDM yakıt hücreleri çalışma süreleri boyunca reaksiyon sonucu su molekülü açığa çıkartmaktadır. Oluşan bu su molekülleri katot kolektöründe sistemin farklı çalışma koşullarında farklı derişimlerde bulunmaktadır. Önceki bölümlerde de bahsedildiği gibi bu derişim miktarı su yönetim sistemleri ile dengeye alınmazsa zamanla reaksiyon performansını düşürmektedir. Bu da sistemde kayıp olarak görülmektedir. (Larminie ve Dicks, 2003, Fuel cell systems explained). Bu kayıp değeri 3.13 numaralı denklem ile verildiği gibi hesaplanıp modellenmiştir. 𝑖 𝑉𝑑𝑒𝑟 = −𝐶𝑙𝑛 (1 − ) (3.13) 𝑖0 31 3.2.5. Kayıplar Toplamı ve Net Gerilim Değeri Önceki bölümlerde bahsedilen kayıplar tek bir denklemde toplanarak hücre başına düşen net gerilim değeri yazılabilir. Bu noktada ideal gaz denklemleri ile Gibbs serbest enerjisinden elde edilen denklemlerin Tafel eşitliği ile birleştirilmesi ile elde edilen her bir kayıp aynı birimden birlikte yazılarak net gerilimi veren denklem elde edilmiş olur. Genel olarak aktivasyon, Omik ve derişim kayıpları baskın geldiği için bu üç kayıp ile yazılan denklem ayrıca yakıt hücresinin polarizasyon eğrisini vermektedir. Böylece yakıt hücresinin performans karakteristiği elde edilmiş olur. 𝑉ℎü𝑐𝑟𝑒 = 𝑉𝐴𝐷 − 𝑉𝑎𝑘𝑡 − 𝑉𝑑𝑒𝑟 − 𝑉𝑜𝑚 − 𝑉İ𝐴 (3.14) Bu denklemde VAD açık devre gerilimini, Vhücre hücredeki net gerilim değerini, Vakt anot veya katottaki oluşan aktivasyon kaybı nedeniyle oluşan gerilim düşüşünü, Vder anot veya katottaki oluşan derişim kaybı nedeniyle oluşan gerilim düşüşünü, Vom sistemdeki Omik kayıplar nedeniyle oluşan gerilim düşüşünü ve VİA iç elektrik akımlarındaki değişkenlik nedeniyle oluşan gerilim düşüşünü ifade etmektedir. 3.3. PDM Yakıt Hücresi Çalışma Koşulları PDM yakıt hücreleri diğer sistemler gibi belirli basınç, sıcaklık ve debi oranlarında çalışmaktadırlar. Genel olarak önceki teorik anlatımlarda referans alındığında basınç ve sıcaklık artışları yakıt hücrelerinin performanslarını arttırıyor olsa dahi PDM yakıt hücrelerinde bu artışın bir limiti bulunmaktadır. Bu noktada kullandığı membran teknolojisi ve elektrot malzemeleri, difüzyon tabakaları gibi komponentlerin belirli sıcaklık ve basınca dayanmaktadır. Bir PDM yakıt hücresinde basınç ve sıcaklık arttırılmak istenirse, sisteme ek birçok komponenti beraberinde getirmektedir. Bu noktada sistemin gerekli sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşabilmesi için iyi bir su yönetim sistemine ve haliyle iyi bir termal yönetim sistemine ihtiyaç duymaktadır. Sistemi basınçlandıracak komponentler (örneğin, kompresör, regülatör, emniyet vanaları vb.) hava emiş ve su yönetim sistemine 32 bağlanarak basınçlandırma işlemini gerçekleştirirler. Ayrıca bu sistemler de birlikte çalıştıkları bütünleşmiş ısı değiştirici komponentler nedeniyle termal yönetim sistemine bağlıdırlar. Çizelge 3.3 ile temel bir PDM yakıt hücreli bataryanın çalışma koşulları verilmiştir. (Barbir, 2012) Çizelge 3.3. Standart PDM yakıt hücreli bataryaların çalışma koşulları (Barbir, 2012) Başlangıç Koşulu (Hidrojen ve Hava): 1 bar’ dan 4 bar’a Basınç (bar) 12 bar’a kadar Sıcaklık (°C) 50-80 Hidrojen: 1-1,2 Akışkan Besleme Oranı Oksijen: 1,2-1,5 Hava: 2-2,5 Hidrojen: 0-%125 Reaksiyona Girecek Ürünlerin Nem Oranı Oksijen/Hava: 0-%100 3.4. Genel Korunum Denklemleri Bu tez kapsamında bahsedildiği gibi PDM yakıt hücreli batarya sistemleri modellenmiştir. Bu modelleme çalışması yapılırken belirli kabuller ve korunum denklemleri referans alınarak simülasyon gerçekleştirilmiştir. Genel olarak sistemdeki akışkanların ve komponentlerin nümerik çözümünde yapılan kabuller aşağıda verildiği gibidir. • İdeal gaz özellikleri • İdeal gaz karışımları • Sıkıştırılamaz akış • İzotropik ve homojen membran ve elektrot yapısı • Yakıt hücresinin temel elektrot ve membran yapısı dışında etki eden küçük miktardaki Omik kayıpların ihmal edilmesi • Gözenekli yapıda bulunan komponentlerin içerisinden olan kütle ve enerji transferlerinin makro ölçüde hacim ortalamalı korunum denklemine göre modellenmesi 33 Bu kabullerin yanı sıra sistemlerin modellemesinde bazı genel korunum denklemleri kullanılmıştır. Bu denklemler GT-Suite 1 boyutlu sistem modellerinde kullanılmış ve analiz kapsamında genel korunum denklemleri çözdürülmüştür. 3.4.1. Kütlenin Korunumu Genel olarak PDM yakıt hücreli batarya sistemlerinde akışkan fazında çözüm yapılmıştır. Bu noktada kolektörler, gaz ve sıvı kanalları, gözenekli bölgeler temelde genel kütle korunum denklemi kullanılarak çözülmüştür. Kütle korunum denklemi 3.15 numaralı denklem ile verildiği gibi kullanılmıştır. 𝜕𝜌𝑔 𝜀𝑒𝑓 + ∇(𝜌𝑔?⃗? ) = 𝑆𝜕𝑡 𝑚 (3.15) Burada ρg ideal gaz karışımlarının ve akışkan karışımlarının yoğunluklarını, u hız vektörünü, Sm kaynak terimini ve εef gaz fazındaki akışkanların efektif gözeneklilik değerlerini ifade etmektedir. Sm kaynak terimi membran içerisinde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon sonucunda oluşan kütleye göre değişmektedir. (Giovanazzi, 2020) 3.4.2. Momentumun Korunumu Momentum korunumu 3.16 numaralı denklem ile verildiği gibi kullanılmıştır. 𝜕(𝜌𝑢) + ∇(𝜌𝑢𝑢) = −∇𝑃 + ∇(𝜇𝑒𝑓∇𝑢) + 𝑆𝑚 (3.16) 𝜕𝑡 Bu denklemde P akışkan basıncını, μef akışkanların ve/veya karışımlarının ortalama viskozite değerini ve Sm ise benzer şekilde kaynak terimini ifade etmektedir. Burada kaynak terimi yakıt pilinin farklı bölgelerinde farklı değerler ve değişkenlere sahiptir. Gaz kanallarından geçen akışkan için kaynak terimi 3.17 numaralı denklem ile verildiği gibidir. 34 𝑆𝑚 = 0 (3.17) Katalist tabakasının destek ve boşluk kısımlarını olduğu bölgelerdeki akışkan için kaynak terimi 3.18 numaralı denklem ile verildiği gibidir. 𝜇 𝑆𝑚 = − 𝜀𝑢 (3.18) 𝐾 Burada K elektrotlar ve membran arasındaki geçirgen difüzyon tabakasının geçirgenliğini, ε ise bu tabakanın gözenekliliğini tanımlamaktadır. Membran kısmındaki polimer yapının olduğu bölgedeki su geçişinin modellendiği durumda momentum korunumundaki kaynak terimi 3.19 numaralı denklem ile verildiği halini alır. 𝜇 𝐾𝜙 𝑆𝑚 = − 𝜀𝑚𝑥𝑚𝑢 + 𝑐 𝑛 𝐹∇𝜙 (3.19) 𝐾𝑝 𝐾 𝑓 𝑓 𝑚 𝑃 Burada εm membranın su geçirgenliğini, xm katalist bölgesinde bulunan iyonların hacim fraksiyonunu, Kf elektro kinetik geçirgenlik değerini, Kp membranın hidrolik geçirgenliğini, cf sabitlenmiş elektrik yükünün yoğunluğunu, nf iyonlarla taşınan elektron miktarını, F Faraday sabitini ve son olarak ϕm iyonların faz potansiyelini ifade etmektedir. (Barbir, 2012) 3.4.3. Enerjinin Korunumu PDM yakıt hücreli batarya sistemleri için genel olarak kullanılan enerji korunum denklemi 3.20 numaralı denklem ile verildiği gibidir. 𝜕𝑇 (𝜌𝑐𝑝) + (𝜌𝑐 ) (𝑢∇𝑇) = ∇(𝑘 ∇𝑇) + 𝑆 (3.20) 𝑒𝑓 𝜕𝑡 𝑝 𝑒𝑓 𝑒𝑓 𝑒 35 Bu denklemde kullanılan cp akışkanların ve/veya karışımlarının ortalama özgül ısısını, T sıcaklığı, k ısıl iletim katsayısını ve Se enerjinin korunumu için kaynak terimini ifade etmektedir. Ayrıca denklemde ef indisi ile ifade edilen kısımlar sistemdeki gözenekli bölgeler için de geçerli olduğunu ifade etmektedir ve katsayılar gözeneklilik özelliğine göre tanımlanmalıdır. Enerjinin korunumu denkleminde yine diğer korunum denklemlerinde olduğu gibi farklı bölgeler için farklı kaynak terimleri kullanılarak denklemi düzenlemek ve bu düzenlenmiş denkleme göre çözüm yapmak gerekmektedir. Bu noktada kolektör taraflarında gerçekleşecek yegane ısı üretim kaynakları faz değişimleri olmaktadır. Bu noktada kaynak terimi kolektörlerde yoğuşma ve buharlaştırmaya göre düzenlenmelidir. Bu düzenleme Bosnjakovic’ in buharlaşma prosesinde ısı değişim miktarını ifade eden sabiti kullanılarak yazılacak olursa kaynak terimi 3.21 elde edilir. 𝑆𝑒 = −𝜎𝐴𝑓𝑔 (𝑥𝑠𝑎𝑡 − 𝑥𝐻 ) ∆ℎ (3.21) 2𝑂(𝑔) 𝑓𝑔 Burada σ buharlaşma katsayısını, Afg birim hacimde faz değişimi olan yüzey alanını, xsat doyma kuruluk derecesini, xH2O su buharının kuruluk derecesini ve ∆hfg buharlaşma ısısını ifade etmektedir. Benzer şekilde elektrotlar ve membran arasındaki geçirgen difüzyon tabakasının olduğu bölgedeki kaynak terim yazılacak olursa 3.22 ile verilen denklem elde edilir. 𝑖2𝑒 𝑆𝑒 = − 𝜎𝐴𝜅 𝑓𝑔 (𝑥𝑠𝑎𝑡 − 𝑥𝐻2𝑂 ) ∆ℎ (3.22) (𝑔) 𝑓𝑔 𝑠 Görüldüğü gibi geçirgen difüzyon tabakalarında kolektörlere kıyasla ek olarak omik direnç nedeniyle de bir terim eklenmiştir ki bu beklendik bir durumdur. Bu durumda denklemdeki ekstra gelen terimler ie akım yoğunluğunu ve κs geçirgen difüzyon tabakasının elektrik iletkenliğini ifade etmektedir. 36 Membran kısmına gelindiğinde ise yalnızca omik dirençler ile modellenmektedir. Bu durumda kaynak terimi 3.23 ile verildiği halini alır. 𝑖2𝑚 𝑆𝑒 = (3.23) 𝜅𝑚 Membran bölgesi için verilen denklemdeki terimler ise im iyon akım yoğunluğunu ve κm ise katalist yüzeyinin elektrik iletkenliğini ifade etmektedir. 3.5. Bir Boyutlu PDM Yakıt Hücreli Batarya Sisteminin ve Komponentlerinin Modellenmesi Bu tez kapsamında PDM yakıt hücreli batarya ile tahrik edilen bir binek aracın istenen koşullarda çalışması için gerekli olan sistem tasarımının, kurulumunun ve simülasyonun yapılması hedeflenmiştir. Bu noktada önceki bölümlerde de bahsedilen PDM yakıt hücreli batarya sisteminin, termal yönetim sisteminin, hava emiş ve su yönetim sistemlerinin ve yakıt sisteminin modellenmesi gerekmektedir. Her bir alt sistem kendine has komponentlere ve sistem gereksinimlerine ihtiyaç duymaktadır. Bu bölüm kapsamında her bir alt sistem ayrı ayrı ele alınarak incelenmiş ve sonunda birbirlerine entegre edilip simüle edilmiştir. 3.5.1. PDM Yakıt Hücreli Batarya Sistem Modeli Bilindiği gibi PDM yakıt hücreli batarya ile tahrik edilen bazı taşıt modelleri endüstride bulunmaktadır. Bu araç modelleri genel olarak belirli oranlarda özelliklere sahip PDM yakıt hücrelerini bünyelerinde bulundurmaktadırlar. Yüksek menzil ve yüksek performans isterleri olan bu yakıt hücreleri yüklü araçların itki isterlerine karşılayacak şekilde modellenmeleri gerekmektedir. Bu noktada çoğu OEM bu hücrelerin detay özelliklerinin paylaşılması konusunda titiz çalışmaktadır. Bu nedenle literatür kapsamında ele alınan bazı veriler ışığında modelde kullanılacak yakıt hücreli batarya özellikleri 100 kW değeri sağlayacak şekilde sentezlenmiştir. 37 Bu noktada iki temel PDM yakıt hücreli batarya ele alınmıştır. Ballard tarafından yapılan yakıt hücresi ve Toyota Mirai aracının yakıt hücresi. Böylece iki farklı yakıt hücresinin avantajlı özellikleri ve birbirini tamamlayan parametreleri sentezlenerek modelde kullanılabilir 100 kW değerindeki PDM yakıt hücresi elde edilmiştir. Bu noktada Ballard ve Toyota Mirai yakıt hücreleri kataloglarından 100 kW değere sahip hücreler seçilerek sentez yakınsanmıştır. Model kapsamında sistem simülasyonu yapıldığında da bataryanın uygun çalışıp çalışmadığı kontrol edilerek modellenen yakıt hücresi doğrulanmıştır. Bu iki referans yakıt hücresinin temel özellikleri Çizelge 3.4. ve Çizelge 3.5 ile verildiği gibidir. Bu özellikler ışığında bir boyutlu ortamda 100 kW değerindeki yakıt hücreli batarya modellenmiştir. Çizelge 3.4. Ballard PDM yakıt hücreli bataryanın özellikleri (Ballard, 2023) Ballard FCmoveTM-HD+ PDM Yakıt Hücreli Batarya Net Sistem Gücü (kW) 100 Sistem Çalışma Akımı (A) 20-360 Sistem Çalışma Gerilimi (V) 280-560 En, Boy ve Yükseklik Oranı (mm) 1056 × 630 × 650 Ağırlık (kg) 260 Çalışma Sıcaklığı (°C) -30 °C ile +50 °C arası Kısa Süreli Limit Çalışma Sıcaklığı -40 °C ile +80 °C arası (°C) Yakıt Türü Hidrojen Gazı Yakıt Besleme Basıncı (bar) 8 Soğutucu Akışkan Su ve Glikol Karışımı Radyatör Çıkış Sıcaklığı (°C) maksimum 60 °C Benzer şekilde Toyota Mirai için değerler Çizelge 3.5 ile verilmiştir. (Lohse-Busch ve arkadaşları, 2018) (Yoshida ve Kojima, 2015) 38 Çizelge 3.5. Toyota Mirai 2017 PDM yakıt hücreli bataryanın özellikleri Toyota Mirai 2017 PDM Yakıt Hücreli Batarya Net Sistem Gücü (kW) 114 Hacimsel Güç Yoğunluğu (kW/L) 3,1 Hücre Sayısı 370 Hücre Kalınlığı (mm) 1,34 Gerilim Değeri (V) 239,1 Yakıt Hücresine Giren Hava 38 °C Sıcaklığı Hava Besleme Sıcaklığı 26 °C Hava Besleme Debisi 300 (Litre/dakika) Yakıt Türü Hidrojen Gazı Aktif Yüzey Alanı (cm2) 237 Soğutucu Akışkan Su ve Glikol Karışımı Radyatör Çıkış Sıcaklığı (°C) 45 °C Bu bilgiler ışığında 100 kW PDM yakıt hücreli batarya Şekil 3.3 ile verildiği gibi GT- Suite arayüzünde modellenmiştir. Şekil 3.3. GT-Suite ile 100 kW PDM yakıt hücreli batarya sistem modeli Burada yeşil ile verilen çevresel komponentler ilgili sistemlerle bağlanması için ayrıca eklenmiştir. Bu sayede çalışmanın ilerleyen fazlarında modellenen termal yönetim sistemi, yakıt sistemi, hava emiş ve su yönetim sistemlerine bağlanmıştır. 39 Boru komponentleri ile PDM yakıt hücreli bataryanın kolektörlerine olan bağlantılar modellenmiştir ve bu bağlantıların sistem ile arasına orifis bağlantıları konularak bu noktalardan ölçüm alınması hedeflenmiştir. 100 kW yakıt hücreli batarya modülünün ana özellikleri bir boyutlu modele Çizelge 3.6 ile verildiği gibi tanımlanmıştır. Çizelge 3.6. Bir boyutlu 100 kW PDM yakıt hücreli batarya modeli ana girdileri 100 kW PDM Yakıt Hücresi Hücre Sayısı 370 Aktif Yüzey Alanı (cm) 237 Ağırlık (kg) 260 Anot Malzemesi Grafit Bipolar Plaka Malzemesi Alüminyum Katot Malzemesi Grafit Ayrıca referans yakıt hücreli bataryalardan alınan değerlere göre bir boyutlu modele polarizasyon eğrisi ile Şekil 3.4 verildiği gibi tanımlanmıştır. Şekil 3.4. Bir boyutlu model ile verilen polarizasyon eğrisi 40 3.5.2. PDM Yakıt Hücreli Batarya Termal Yönetim Sistemi Modeli PDM yakıt hücreli bataryaların uygun çalışma koşullarında çalışabilmesi için önceki bölümlerde de bahsedildiği gibi termal açıdan PDM yakıt hücresinin uygun sıcaklıklarda çalışması gerekmektedir. Bu kapsamda içerisinde elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu oluşan enerji çıkışı nedeniyle PDM yakıt hücreleri yüksek performansa ve gerilim değerlerine ulaştıklarında sıcaklıklarında artış meydana gelmektedir. Çizelge 3.3 ile verildiği gibi standart PDM yakıt hücreli bataryaların optimum çalışma sıcaklık aralıkları 50-80 °C arasında değişmektedir. Bu noktada araçtan yüksek gerilim ve performans talebi geldiği noktada sistemin optimum sıcaklıkta kalmasını sağlayacak termal yönetim sistemine ihtiyaç vardır. Bu tez kapsamında teoride 100 kW enerji sağlayabilen bir PDM yakıt hücreli bataryalı binek araç ele alınmıştır. Bu noktada bu yakıt hücresinin araç entegrasyonunda soğutma ve termal yönetim sistemi de benzer şekilde içten yanmalı, hibrit ve elektrikli araçlar referans alınarak komponent seçimleri yapılmıştır. Termal sistemin kurulumunda başlıca kullanılması öngörülen komponentler aşağıda verildiği gibidir. • Yüksek Sıcaklık Radyatörü • Soğutma Boruları • Soğutma Pompası • Genleşme Tankı • Hava Soğutmalı Hava Soğutucu (HSHS) • PDM Yakıt Hücreli Batarya Soğutma Kanalları • Fan 41 Şekil 3.5 PDM yakıt hücreli batarya termal yönetimi sistemi 100 kW değerindeki PDM yakıt hücreli bataryanın termal yönetim sistemi bütünü Şekil 3.5 ile verildiği gibi görülmektedir. Bu noktada soğutma sistemi kapalı bir devre olarak 1.4 bar sistem çalışma basıncı ile set edilerek çalışmaya başlamaktadır. Herhangi bir tahrik ile basınçlandırılmadığı için soğutucu akışkan 130 W değerindeki elektronik su pompası ile sistem içerisinde dolaştırılmaktadır. Benzer şekilde hava besleme sisteminde içten yanmalı motorlardaki gibi herhangi bir piston basıncı olmadığı için herhangi bir emiş gerçekleşememektedir. Bu noktada havanın yakıt hücreli bataryaya beslenebilmesi adına hava kompresörü ile hava beslemesi yapılması gerekmektedir. Kompresör kullanımı ile artan hava sıcaklığının düşürülmesi için soğutma sisteminin yakıt hücreli batarya soğutma modülüne bütünleşmiş bir ısı değiştirici kullanılmalıdır. Bu ısı değiştirici içten yanmalı motorlardan da bilindiği gibi hava soğutmalı hava soğutucu olan hava soğutmalı hava soğutucu olarak ele alınmıştır. 42 Termal yönetim sistemi belirli noktalarda sistem içerisinde gereksiniminin üzerinde sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşabilir ve bu riskli durumlara karşı sistemi güvenli hale getirmek gerekmektedir. Bu kapsamda artan sıcaklıkla birlikte buharlaşarak sistemin basıncını arttıran soğutma sıvısının gaz hali sistemden tahliye edilmelidir. Bu noktada genleşme tankı sistemin güvenli basınçta kalmasını sağlayarak basınçlı buharı sistemden tahliye eder. Soğutma çevrimi içerisinde azalan soğutucu akışkan miktarına karşı ek olarak sisteme soğutucu akışkan beslemesi yapmaktadır. Bu nedenle halk arasında yedek su deposu olarak da bilinmektedir. Sistem içerisindeki soğutucu akışkanın iletimi kauçuk soğutma boruları ile yapılmıştır. Kauçuk malzeme otomotiv endüstrisinde birçok alanda kullanılmakla beraber soğutma sistemlerindeki borularda sıkça kullanılmaktadırlar. Soğutma sistemi ortalama sıcaklık değerlerine uyum sağlaması, kolay forma sokulabilmeleri, soğutma sistemi standart basınç aralıklarına karşı dayanımlı olmaları ve plastiklere oranla maliyet açısından uygun olması kauçuk malzemeyi soğutma sistemlerinde kullanılması konusunda birinci sıraya yerleştirmektedir. Son olarak termal yönetim sistemindeki ısı değiştiricilerin soğutulmasındaki temel akışkan olan havanın momentum kazanması için fan sisteme entegre edilmiştir. Ayrıca ilerleyen bölümlerde de bahsedileceği gibi farklı sürüş koşullarında sisteme tesir eden havanın hızı için sürüş koşulları arac_hizi komponenti ile tanımlanmıştır. Sistem kapsamında bu sürüş koşulları NEDC, WLTP Class 2 ve US06 olarak belirlenmiş ve bu yol şartlarına göre hava akış hızları ve fan performans eğrisi modele tanımlanmıştır. Bu girdiler sayesinde normalde GT-Suite kapsamında soğutma, egzoz ve hava emiş sistemleri için önerilen sürekli çözüm yöntemi bu sürüş koşullarının değişken beslemelerini referans alarak ortalama bir değer tayininde bulunulmasını sağlamıştır. Bahsi geçen bu termal yönetim sistemi komponentleri aşağıda verildiği temel özellikleri sistem modeline tanımlanmıştır. Belirlenen girdiler ile 100 kW değerinde bir PDM yakıt hücresinin termal isterlerini sağlayacak termal yönetim sistemi modellenmiştir. 43 Çizelge 3.7. Soğutma boruları ölçüleri Borular Parça Adı Çap (mm) Uzunluk (mm) Malzeme Radyatör Giriş 30 450 EPDM Radyatör Çıkış 30 330 EPDM Genleşme Tankı Dolum 5 400 EPDM Genleşme Tankı Besleme 20 400 EPDM Çizelge 3.8. Genleşme tankı ölçüleri Genleşme Tankı Dolum Çapı (mm) 5 Besleme Çapı (mm) 20 Dolu Yükseklik (mm) 60 Yükseklik (mm) 100 Hacim(m3) 0,002 Çizelge 3.9. Soğutma pompası özellikleri Pompa Tür Santrifüj Pompa Güç (W) 130 Maksimum Debi (L/h) 3000 Akışkan Su Glikol Karışımı Çizelge 3.10. Isı değiştirici özellikleri Isı Değiştiriciler Alüminyum Radyatör En (mm) 500 Boy (mm) 450 Kalınlık (mm) 15 Giriş ve Çıkış Çapları (mm) 33 Alüminyum Hava Soğutmalı Hava Soğutucu En (mm) 550 Boy (mm) 120 Kalınlık (mm) 50 Giriş ve Çıkış Çapları (mm) 50 44 Fan özellikleri ve araç hızı bilgilerinin detayları sürüş koşullarının anlatıldığı Analiz Koşulları ve Çevrimler kısmında ele alınmıştır. Sistemde kullanılan akışkan %60 su ve %40 glikol karışımıyla elde edilmiştir. Akışkan özellikleri GT-Suite kütüphanesinden hazır olarak elde edilmiştir. 3.5.3. PDM Yakıt Hücreli Batarya Hava Emiş ve Su Yönetim Sistemleri Modeli PDM yakıt hücreli batarya sistemleri bünyesindeki reaksiyonun gerçekleşmesi için oksijene ihtiyaç duymaktadırlar. Bu noktada önceki bölümlerde de bahsedildiği gibi basıncı arttırılmış belirli miktardaki oksijenin sisteme sağlanabilmesi için uygun hava emiş sistemi tasarlanmalı ve reaksiyon sonrasında tepkimeye girmemiş havanın ve suyun sistemden tahliye edilmesi gerekmektedir. Bu referans bilgilere ve literatür araştırmalarına göre hava emiş ve su yönetimi sistemleri (hava emiş ve egzoz sistemleri) bir boyutlu simülasyon modelinde aşağıda verilen komponentleri içermektedir. • Kirli hava emiş borusu • Hava filtre kutusu • Hava filtresi • Temiz hava emiş borusu • Hava kompresörü • Hava soğutmalı hava soğutucu boruları • Egzoz manifold borusu • Orta egzoz borusu • Egzoz çıkış borusu Bu komponentler yardımıyla gerekli temiz hava sisteme istenen basınç değerinde beslenerek, reaksiyon sonucunda açığa çıkan fazla su ve hava sistemden atılmaktadır. Ayrıca reaksiyon sonucunda oluşan yüksek sıcaklığın büyük kısmı egzoz ile 45 uzaklaştırılmaktadır. Şekil 2.6 ile verildiği gibi hava emiş ve su yönetim sistemleri görülmektedir. Şekil 3.6 PDM yakıt hücreli batarya hava emiş ve su yönetimi sistemi Hava emiş sistemi içten yanmalı motora sahip araçlardakine benzer olarak kirli hava emiş borusunda ısıl yükü az olması ve maliyet açısından uygun olması nedeniyle EPDM malzeme kullanılmıştır. Ancak kompresör kısmına yakın temiz hava emiş borusunda ise termoplastik malzeme tercihi yapılmıştır. Benzer şekilde kompresör çıkışından sonra gelen hava soğutmalı hava soğutucu boruları için sıcaklık dayanımı daha yüksek ve sertlik değeri daha düşük olan silikon malzeme kullanılması tercih edilmiştir. Böylece hava soğutmalı hava soğutucu kanatçık ve kılcal borularına gelen dinamik yükler karşısında hava soğutmalı hava soğutucu fiziksel yapısının korunması hedeflenmiştir. İçten yanmalı motorlar ile gelen emiş gücü sağlanamadığı için yakıt hücreli bataryalarda besleme yapılması adına hava kompresörü kullanılmıştır ve bu kompresör seçimi yakıt hücrelerinin ihtiyacı olan debi ve basınç değerini sağlayacak nitelikte seçilmiştir. 100 kW gibi yüksek güç değerine sahip yakıt hücreli bataryalar katot çıkışlarında çok yüksek sıcaklık değerlerine ulaşabilmektedirler. Bu sıcaklık değerine dayanabilen bir plastik malzeme kullanımı mümkün olamayabileceği için egzoz boruları paslanmaz çelik kullanılarak tasarlanmış ve bir boyutlu simülasyon modeline entegre edilmiştir. Genel olarak bahsi geçen komponentlerin özellikleri aşağıda verilen çizelgeler ile gösterildiği gibidir. 46 Çizelge 3.11. Hava emiş ve egzoz borularının özellikleri Hava Emiş & Egzoz Boruları Parça Adı Çap (mm) Uzunluk (mm) Malzeme Kirli Hava Emiş 60 50 EPDM Temiz Hava Emiş 60 150 TPV HSHS Giriş 50 950 Silikon HSHS Çıkış 50 950 Silikon Egzoz Manifold 45 600 Paslanmaz Çelik Orta Egzoz 45 1500 Paslanmaz Çelik Egzoz Çıkış 45 500 Paslanmaz Çelik Çizelge 3.12. Hava kompresörü özellikleri Kompresör Ortalama Güç (W) 400 Maksimum Güç (W) 1600 Verim 40% Akışkan Hava Çizelge 3.13. Hava filtresi özellikleri Hava Filtresi Giriş Çapı (mm) 60 Çıkış Çapı (mm) 60 Hacim (L) 9 Malzeme Polipropilen 3.5.4. Analiz Koşulları ve Çevrimler Bu tez kapsamında 100 kW değerindeki bir PDM yakıt hücreli bataryaya sahip binek bir aracın termal, hava emiş ve su yönetim sistemleri ele alınmıştır. Bu kapsamda bu sistemlerin halihazırda otomotiv sektöründe karşılığı olabilecek araçlar ile kıyaslanması ve benzer sürüş koşullarında elde ettikleri değerlerin karşılaştırılması gerekmektedir. Karşılaştırmaların sağlıklı yapılabilmesi adına literatürde ve otomotiv sektöründe sıkça kullanılan sürüş koşullarının bir boyutlu sistem modeline entegre edilmesi gerekmektedir. Çalışma kapsamında NEDC, WLTP Class 2 ve US06 sürüş koşulları hedef alınarak modelin sınır koşulları olarak tanımlanmışlardır. Bu sürüş koşullarının grafik değerleri 47 Şekil 3.7, Şekil 3.8 ve Şekil 3.9 ile verildiği gibi görülebilmektedir. GT-Suite kütüphanesinde bu sürüş profilleri mevcut olarak bulunmakta ve direkt olarak kullanılabilmektedir. Şekil 3.7. NEDC sürüş profili Şekil 3.8.WLTP-Class 2 sürüş profili Şekil 3.9. US06 sürüş profili Bu sürüş profilleri araç hızına bağlı olarak değişkenlik göstermektedirler. NEDC ve WLTP Class 2 sürüş profilleri gündelik standart kullanıma daha uygunken US06 sürüş profili daha çok performans isteyen bir sürüş profili sunmaktadır. Bu sürüş koşullarına 48 göre modelleme yapmak için aslen araç modeli kullanılması da gereklidir ancak belirli hız profillerinde ne kadar hava girişi olacağı ve ne kadar yakıt beslemesi yapılacağı bilgileri bu sürüş profilleri üzerinden hesaplanabilir. Lohse-Busch ve arkadaşlarının yaptığı testlerin sonuçlarına göre 100 kW bir aracın bu sürüş koşullarında elde ettiği yakıt tüketimleri referans alınarak sisteme sürüş koşulları özelinde yakıt beslemesi yapılmıştır. Bu referans değerler alındığında sürüş koşullarının modelde farklı senaryolar olarak girilmesi mümkün hale gelmektedir. Girilen senaryolar Şekil 3.10 ile verildiği gibi görülmektedir. Şekil 3.10. Farklı sürüş koşulları ile oluşturulmuş üç senaryo Bu senaryolarla birlikte surus_dongusu olarak tanımlanan parametre ile PDM yakıt hücreli batarya soğutma modülünden geçen hava miktarı araç hızına göre verilmiş olup termal etki gözlemlenebilir hale gelmiştir. Ek olarak yakıt parametresi ile bahsi geçen sürüş koşullarının sağlanabileceği yakıt besleme miktarları PDM yakıt hücreli batarya sistemine beslenebilir hale gelmiştir. Böylece araç entegrasyonuna ihtiyaç kalmadan sistem seviyesinde sürüş koşullarının ortalama çıktıları elde edilmiştir. Böylece yakıt besleme için oluşturulan sürüş profilleri Şekil 3.11, Şekil 3.12 ve Şekil 3.13 ile verildiği gibi bir boyutlu modele tanımlanmıştır. Modelin simüle ettiği süreler ise benzer şekilde sürüş profillerinde belirtilen sürelere göre değişmektedir. 49 Şekil 3.11. NEDC yakıt sürüş koşulu Şekil 3.12. WLTP-Class 2 yakıt sürüş koşulu Şekil 3.13. US06 yakıt sürüş koşulu 50 4. BULGULAR ve TARTIŞMA 4.1. PDM Yakıt Hücreli Batarya Modeli GT-Suite ortamında modellenen bir boyutlu PDM yakıt hücreli batarya sistemi birçok farklı açıdan ele alınarak incelenmiş ve 100 kW güce sahip diğer PDM yakıt hücreli batarya modelleri ile karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda PDM yakıt hücreli batarya sisteminin gerilim, akım, güç, yakıt tüketim verimi, oksijen tüketimi, hidrojen tüketimi, katot sıcaklığı ve soğutma kanalarının çıkış sıcaklıkları değerleri NEDC, WLTP Class 2 ve US06 sürüş profillerine göre hesaplanmış ve incelenmiştir. Bu kapsamda elde edilen değerler senaryolara göre sırasıyla Senaryo 1 NEDC, Senaryo 2 WLTP Class 2 ve Senaryo 3 US06 olacak şekilde verilmiştir. Bu parametreler ile ilgili bulgular Çizelge 4.1 ve Çizelge 4.2 ile verildiği gibi hesaplanmıştır. Çizelge 4.1. PDM yakıt hücreli batarya modeli için hesaplanan değerler-1 PDM yakıt hücreli batarya modeli için hesaplanan değerler-1 Senaryolar NEDC WLTP-Class2 US06 Gerilim (V) 159,15706 159,75342 159,99129 Akım (A) 77,793594 77,750885 77,530556 Yakıt Hücresi Gücü (kW) 36,102806 36,08299 35,980736 Yakıt Tüketim verimi (%) 34,237102 34,368894 34,419534 Çizelge 4.2. PDM yakıt hücreli batarya modeli için hesaplanan değerler-2 PDM yakıt hücreli batarya modeli için hesaplanan değerler-2 Senaryolar NEDC WLTP-Class2 US06 Yakıt Hücresi Enerji Eldesi (kW/h) 37,082 24,803 74,306 Oksijen Tüketimi (g/s) 2,3865788 2,3852684 2,378509 Hidrojen Tüketimi (g/s) 0,30100724 0,300842 0,29998946 Referans değerlere bakıldığında yakıt hücresinin polarizasyon eğrisi kapsamında ürettiği gerilim ve akım değerleri tutarlı bulunmuş ve yeterli elektriksel gücün sağlandığı ortaya konulmuştur. Bu noktada Toyota Mirai ile Lohse-Busch ve arkadaşlarının yaptığı testlerin sonuçlarına göre elde edilen gerilim değerlerine karşılık gelen akım değerleri 51 daha düşük sonuçlar vermektedir. Bu da üretilen güç miktarının modellenen PDM yakıt hücreli bataryada daha yüksek olduğunu göstermektedir. Çizelge 4.3. Toyota Mirai test sonuçları (Lohse-Busch ve arkadaşları, 2018) Toyota Mirai Test Sonuçları Gerilim (V) 160 Akım (A) 35 NEDC Sürüş Profilinde Elde Edilen Güç (kW) 14 WLTP-Class 2 Sürüş Profilinde Elde Edilen Güç (kW) 22 US06 Sürüş Profilinde Elde Edilen Güç (kW) 40 Benzer şekilde farklı sürüş koşulları ele alındığında ise Toyota Mirai bu sürüş koşullarında daha düşük güç beslemesi ile sürüş koşullarını tamamlamaktadır. Bu noktada avantaj araç üstünde yapılan testler ile PDM yakıt hücreli batarya sisteminin bir bataryayı beslemesi ve elektrik motorlarına araç girdisi ve ihtiyacına göre mümkün olan en uygun güç beslemesini sağlayabiliyor olması ile elde etmiştir. 4.2. PDM Yakıt Hücreli Batarya Hava Emiş Sistemi Modeli PDM yakıt hücreli bataryanın hava emiş sistemi GT-Suite ortamında modellenerek kritik parametreleri hesaplanmış. Bu kapsamda incelenen ve hesaplanan kritik parametreler HSHS giriş debisi, HSHS giriş ve çıkış sıcaklıkları ve kompresör basınç değerleri farklı sürüş profillerinde ele alınarak incelenmiştir. Çizelge 4.4 ile verildiği gibi görülebilir. Çizelge 4.4. PDM yakıt hücreli batarya hava emiş modeli için hesaplanan değerler PDM yakıt hücreli batarya hava emiş modeli için hesaplanan değerler WLTP- Senaryolar NEDC US06 Class2 Radyatör Giriş Kütlesel Debisi (g/s) 5,132209 5,130852 5,144697 Giriş Sıcaklığı (°C) 100,95416 100,964165 100,7769 Çıkış Sıcaklığı (°C) 27,553888 27,569025 27,44757 Kompresör Çıkış Basıncı (bar) 1,5381017 1,5381849 1,536585 52 Hava besleme sisteminde atmosferden alınan havanın kompresör ile basılması sonucu sistemin oksijen beslemesi yapıldığı konusundan tez kapsamında bahsedilmiştir. Bu noktada kompresör bir boyutlu analiz çıktıları ışığında istenilen basınçlandırmayı yapmış ve sisteme gerekli olan oksijen sağlanmıştır. Bu basınçlandırma değeri bulgular ışığında ortalamada yaklaşık olarak 1,537 bar olarak hesaplanmıştır. Kompresör yardımı ile tahrik edilen havanın sıcaklığı artmaktadır. Bu sıcaklık değeri ortalamada 72,3 °C olarak hesaplanmıştır. Bu noktada HSHS yardımı ile soğutulan hava ortalamada 27,6 °C sıcaklık değerine kadar düşürülebilmiştir. 4.3. PDM Yakıt Hücreli Batarya Termal Yönetim Sistemi Modeli PDM yakıt hücreli bataryanın termal yönetim sistemi PDM yakıt hücreli batarya modelinin bir boyutlu analiz sonuçlarının incelendiği bölümde ek olarak ayrıca ele alınmıştır. Bu bölüm kapsamında sistemin radyatör parametreleri ele alınmış ve bu bulgular incelenmiştir. Bulgular Çizelge 4.5 ile verildiği gibi görülebilir. Çizelge 4.5. PDM yakıt hücreli batarya radyatör modeli için hesaplanan değerler PDM yakıt hücreli batarya radyatör modeli için hesaplanan değerler Senaryolar NEDC WLTP-Class2 US06 Radyatör Giriş Kütlesel Debisi (g/s) 12,593252 12,59352 12,587289 Giriş Sıcaklığı (ºC) 52,40988 52,51632 52,49722 Çıkış Sıcaklığı (ºC) 36,54516 36,5448 36,54476 Termal yönetim sistemi ele alındığında sistemin soğutma çevriminin başarılı bir şekilde çalıştığı ve ortalamada gereken 36,5 °C’ye yakın değerlerde PDM yakıt hücreli batarya sistemine soğutucu akışkan beslemesi yaptığı gözlemlenmiştir. Bu noktada kullanılan radyatörün yeterli miktarda ısı transferi yaptığı söylenebilir. Yapılan ısı transferinin sağlanabilmesi için gerekli olan momentumu sağlayan pompanın da benzer şekilde sistemde uygun bir şekilde çalıştığı gözlemlenmiştir. Soğutma sistemi basınçları kontrol edildiğinde ortalamada 1,06 bar ile çalıştığı gözlemlenmiştir ve EPDM su boruları bu basınç değeri altında rahatlıkla 53 çalışabilmektedir. Ek olarak genleşme tankı bu basınç dengesinin kurulmasında etkin rol oynamış ve sistemin kritik 1,4 bar basıncın üstüne çıkmasına engel olduğu gözlemlenmiştir. 4.4. PDM Yakıt Hücreli Batarya Su Yönetim Sistemi Modeli PDM yakıt hücreli bataryanın su yönetim sistemi bir boyutlu model ile ele alınarak modellenmiş ve hesaplanmıştır. Bu kapsamda oluşan su buharının tahliyesi ve egzoz için kritik olan basınç düşüşü miktarları Çizelge 4.6 ile verildiği gibi incelenmiştir. Çizelge 4.6. PDM yakıt hücreli batarya su yönetim modeli için hesaplanan değerler PDM yakıt hücreli batarya radyatör modeli için hesaplanan değerler Senaryolar NEDC WLTP-Class2 US06 Basınç Düşüşü (bar) 0,565205 0,5650655 0,5635769 Egzoz Sıcaklıkları (°C) 411,67526 412,4871 410,4215 PDM yakıt hücreli batarya sistemi içerisinde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon sonucu oluşan ısı katot tarafındaki manifold ile egzoz sistemi yardımıyla sistemden uzaklaştırılmaktadır. Bu noktada egzoz su yönetim sistemine bağlı olarak çalışan bir komponent olsa dahi termal yönetim sisteminin çalışma yükünü azaltmaktadır. 100 kW gibi yüksek güç değerine sahip yakıt hücrelerinin egzoz gazlarının sıcaklıkları haliyle bu nedenle yüksek olmaktadır. Bir boyutlu model ile görülebileceği gibi bu çıkış sıcaklığı ortalamada yaklaşık olarak 436,2 °C olarak hesaplanmıştır. Egzoz sistemi gerekli tahliyeyi yapmakla birlikte sistemde belirli bir basınç düşüşü oluşturarak tüm sistemin gürültülü çalışmasını da önlemeyi hedeflemektedir. Bu noktada bir boyutlu modelin çözümü incelendiğinde ortalamada yaklaşık olarak 0,56 bar düşüş sağlayarak bu gürültünün önlenebileceğini göstermektedir. Böylece sistem atmosfer basıncına yakın basınçlara çalışabilmektedir. Hava besleme sisteminde atmosferden alınan havanın kompresör ile basılması sonucu sistemin oksijen beslemesi yapıldığı konusundan tez kapsamında bahsedilmiştir. Bu noktada kompresör bir boyutlu analiz çıktıları ışığında istenilen basınçlandırmayı yapmış 54 ve sisteme gerekli olan oksijen sağlanmıştır. Bu basınçlandırma değeri bulgular ışığında ortalamada yaklaşık olarak 1,537 bar olarak hesaplanmıştır. 55 5. SONUÇ Bu tez kapsamında binek bir araçta kullanılmak için maksimum 100 kW değere kadar güç sağlayabilen bir PDM yakıt hücresi tasarlanıp, modellenmesi hedeflenmiştir. Bu hedefle birlikte sistemin termal ve su yönetim sistemlerine odaklanarak gerekli sistem gereksinimlerinin sağlanması üzerine odaklanılmıştır. Elde edilen bulgular ışığında modellenen 100 kW maksimum değere sahip PDM yakıt hücreli batarya sistemi halihazırda üretilen 100 kW değere yakın PDM yakıt hücreleri ve araçlarıyla kıyaslanmıştır. Bu noktada 114 kW maksimum güce sahip Toyota Mirai ve Ballard PDM yakıt hücreli batarya modülü hedef alınarak Toyota Mirai ile Lohse-Busch ve arkadaşlarının yaptığı testlerin sonuçlarına göre kıyaslama yapılmıştır. Bir boyutlu olarak enerji ve termodinamik incelemeleri yapılması hedeflenen modelde kontrolcüler, elektrik motorları ve araç entegrasyonu hesap edilmemiştir. Ancak elde edilen veriler ışığında bu entegrasyonunda farklı disiplinlerle birlikte çalışılarak ortaya konulduğunda modellenen yakıt hücreli batarya sisteminin binek bir araç için yeterli tahriki ve beslemeyi yapabileceği ön görülmektedir. Bu tez kapsamında yalnızca PDM yakıt hücreli batarya sistemi, termal, hava ve su yönetim sistemleri incelenmiştir. Bu nedenle sistemde basit düzeyde bir yakıt besleme sistemi bulunmaktadır. Kayıp olan hidrojen ve kontrol sistemi olmayan bir yakıt sistemi nedeniyle yakıt verimi yaklaşık olarak %33 civarında hesaplanmıştır. Gelecek çalışmalar ile yakıt sistemin detaylı modellenmesi ile bu verim değerinin artacağı ve bulgular kısmında elde edilen yakıt tüketim verimi değerlerinin yükseleceği öngörülmektedir. Tüm simülasyonlar GT-Suite paket programı ile gerçekleştirilmiştir. GT-Suite 2019 yılı ile PDM yakıt hücreli batarya modelinin beta sürümünü programına dahil etmiştir. İlerleyen yıllarda yakıt hücresi teknolojisinin de ilerlemesi ile model daha kapsamlı hale 56 getirilebilir. Ek olarak Bazı komponentlerin optimizasyonunda iki ve üç boyutlu HAD analizlerinden destek alınarak sistem daha verimli çalışabilir hale getirilebilir. Analiz bulguları modellenen termal, hava ve su yönetim sistemleri PDM yakıt hücreli batarya sisteminin gerekli sistem ihtiyaçlarını karşıladığını ve birçok farklı senaryoda stabil bir şekilde çalıştığını göstermektedir. Bu referans ile çalışmanın bir ileri adıma taşınarak gelecek çalışmalarda öncelikle tüm araç modellemesi yapılması hedeflenmiş ve ardından binek bir araca entegre edilerek fiziksel testlerinin yapılması hedeflenmiştir. Bu noktada dikkat edilmesi gereken en önemli hususlardan birisi de PDM modülünün yerleşimin binek araç mimarisine uygun olarak yapılması gerektiğidir. Çalışma kapsamında bu sınırı aşmak için birçok komponent bilinen içten yanmalı motora sahip binek araçlarda kullanıldığı şekilleri ile sistem gereksinimlerini sağlaması hedeflenerek seçilmiştir. Böylece gelecek çalışmalarda kullanılacak olan termal, hava ve su yönetim sistemlerinin entegrasyonu araç mimarisinde rahatlıkla yerleştirilebilir. 57 KAYNAKLAR Barbir, Frano. PEM fuel cells: theory and practice. Academic press, 2012. H. A. Liebhafsky and E. J. Cairns, ‘Fuel Cells and Fuel Batteries’, John Wiley & Sons, New York (1968). Ortiz-Rivera, E. I., Reyes-Hernandez, A. L., & Febo, R. A. (2007, August). Understanding the history of fuel cells. In 2007 IEEE conference on the history of electric power (pp. 117-122). IEEE. Andújar, J. M., & Segura, F. (2009). Fuel cells: History and updating. A walk along two centuries. Renewable and sustainable energy reviews, 13(9), 2309-2322. F. T. Bacon, ‘The High Pressure Hydrogen/Oxygen Fuel Cell’, in “Fuel Cells, Symposium of the ACS”, Atlantic City, Reinhold Publishing Corp., New York and Chapman & Hall, London, G. J. Young (Ed), Vol. I, pp. 51–77 (1960). A. M. Adams, F. T. Bacon and R. G. H. Watson, ‘The High-Pressure Hydrogen/oxygen Fuel Cell’, in “Fuel Cells”, W. Mitchell, Jr (Ed), Academic Press, New York, pp. 129– 192 (1963). F. T. Bacon, Beama J., 6, 61 (1954). W. Vielstich, ‘Fuel Cells’, Wiley-Interscience, London (1970). McLean, G. F., Niet, T., Prince-Richard, S., & Djilali, N. (2002). An assessment of alkaline fuel cell technology. International Journal of Hydrogen Energy, 27(5), 507-526. De Geeter E, Mangan M, Spaegen S, Stinissen W, Vennekens G. Alkaline fuel cells for road traction. J Power Sources 1999;80:207–12 Andújar, J. M., & Segura, F. (2009). Fuel cells: History and updating. A walk along two centuries. Renewable and sustainable energy reviews, 13(9), 2309-2322. Peighambardoust, S. J., Rowshanzamir, S., & Amjadi, M. (2010). Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications. International journal of hydrogen energy, 35(17), 9349-9384. Frangini, S., & Masi, A. (2016). Molten carbonates for advanced and sustainable energy applications: Part II. Review of recent literature. International Journal of Hydrogen Energy, 41(42), 18971-18994. Timurkutluk, B., Timurkutluk, C., Mat, M. D., & Kaplan, Y. (2016). A review on cell/stack designs for high performance solid oxide fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 56, 1101-1121. 58 Gottesfeld, S., & Zawodzinski, T. A. (1997). Polymer electrolyte fuel cells. Advances in electrochemical science and engineering, 5, 195-301. Yoshida, T., & Kojima, K. (2015). Toyota MIRAI fuel cell vehicle and progress toward a future hydrogen society. The Electrochemical Society Interface, 24(2), 45. Harenbrock, M., Korn, A., Weber, A., & Hallbauer, E. (2020). Integrated cathode air flow management for fuel cell electric vehicles. ECS Transactions, 96(1), 191. Rosli, R. E., Sulong, A. B., Daud, W. R. W., Zulkifley, M. A., Husaini, T., Rosli, M. I., ... & Haque, M. A. (2017). A review of high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) system. International Journal of Hydrogen Energy, 42(14), 9293-9314. Bargal, M. H., Abdelkareem, M. A., Tao, Q., Li, J., Shi, J., & Wang, Y. (2020). Liquid cooling techniques in proton exchange membrane fuel cell stacks: A detailed survey. Alexandria Engineering Journal, 59(2), 635-655. Zakaria, I., Azmi, W. H., Mamat, A. M. I., Mamat, R., Saidur, R., Talib, S. A., & Mohamed, W. A. N. W. (2016). Thermal analysis of Al2O3–water ethylene glycol mixture nanofluid for single PEM fuel cell cooling plate: an experimental study. International Journal of Hydrogen Energy, 41(9), 5096-5112. Cengel, Y. A., Boles, M. A., & Kanoğlu, M. (2011). Thermodynamics: an engineering approach (Vol. 5, p. 445). New York: McGraw-hill. Larminie, J., Dicks, A., & McDonald, M. S. (2003). Fuel cell systems explained (Vol. 2, pp. 207-225). Chichester, UK: J. Wiley. Spiegel, C. (2011). PEM fuel cell modeling and simulation using MATLAB. Elsevier. GIOVANAZZI, F. (2020). Numerical modeling of PEM Fuel Cell through 3D and 1D approaches: an analysis of geometrical features and relative humidity effects. Bosnjakovic F. Technical Thermodynamics. New York: Holt Rinehart and Winston; 1965. Lohse-Busch, H., Stutenberg, K., Duoba, M., & Iliev, S. (2018). Technology assessment of a fuel cell vehicle: 2017 Toyota Mirai (No. ANL/ESD-18/12). Argonne National Lab.(ANL), Argonne, IL (United States). Ballard’s FCmove™, 2023, Fuel Cell Power Module for Heavy Duty Motive Specification Sheet, https://www.ballard.com/docs/default-source/spec- sheets/spc5111379-0a.pdf?sfvrsn=8210de80_4 59 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Yunus Emre ÖZTÜRK Doğum Yeri ve Tarihi : Manisa/Demirci 12.01.1998 Yabancı Dil : İngilizce Eğitim Durumu Lise : Özel Büke Koleji Lisans : Kocaeli Üniversitesi Yüksek Lisans : Bursa Uludağ Üniversitesi Çalıştığı Kurum/Kurumlar : İletişim (e-posta) : 502010042@ogr.uludag.edu.tr Yayınları : Öztürk Y.E., KILIÇ M., "Comparison of the direct and indirect cooling systems on the thermal management of the EV Batteries", Fourteenth International Conference on Thermal Engineering Theory and Applications, Yalova, Türkiye, 25-27 Mayıs 2023, ss.1-3 Öztürk Y.E., KILIÇ M., "Numerical and experimental approaches for the effect of the characteristic length in natural convection", EUROASIA Congress on Scientific Researches and Recent Trends-XI, Kapadokya, Türkiye, 22-23 Haziran 2023, ss.1-18 60