EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Konu "Chemical equilibrium" ile EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeYakıt Pili Isı Makinası Hibrit Sistemleri(Enerji Enstitüsü, ) Süslü, Osman Sinan ; Becerik, İpek ; 333049 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesTaşıtlarda depolanmış hidrojen yakıtıyla çalıştırılan yakıt pillerinin piyasaya sunulabilmesi için gelişmiş hidrojen altyapısı gereklidir. Hidrojenin araçta depolanması dışında bir seçenekse, hidrokarbonların, taşıtta su buharıyla reformlanarak, yakıt ve sudan elde edilen hidrojenin, yakıt pilinde yükseltgenmesidir. Ancak bu tepkime hidrokarbonun su buharıyla yükseltgenmesini gerektirdiğinden endotermik olup tepkime için ilave ısı gerektirir. Tepkime ısısının bir ısı makinasının egzoz gazının hissedilir ısısından geri kazanılabilir. Isı geri kazanımı sayesinde, ısıl verim artırılırken üretilen kilovat saat (kWh) başına salınımlar azalacaktır. Önerilen hibrit sistem, membran reformer, yakıt pili ve öteleme pistonlu içten yanmalı motor (Isı Makinası) içeren bir tasarımdan oluşmaktadır. Yakıt, membran reformerde su buharıyla reformlanarak, oluşan H2 membran içine seçimli sızdırmayla saflaştırılır. H2'in membrandan sızmayan kısmı, reformerin kalan gazıyla motora akarak, burada içten yanmayla ilave güç üretimi için değerlendirilerek ısıl verim arttırılır. Membran içine sızan saflaştırılmış H2, yakıt pilinin anodunda yükseltgenerek, elektrik gücü üretilir. Paladyum membranlı katalitik reformerler, paladyumun hidrojene karşı sonsuz seçiciliğe sahip olması sebebiyle, membranın hidrojeni 100% saflıkla süzmesini sağlar. Bu saflıktaki hidrojen yakıt pilinin ömrünü ve verimini arttırır. Ayrıca, yakıt pili anoduyla membran arasında bulunan saf hidrojen döngüsü, yakıt pilinin, yakıt yararlanım oranını 100%'e çıkararak, verime ilave bir katkıda bulunmaktadır. Metanol, incelenmiş yakıtlar arasında, buharlı reformlama için en düşük egzoz gazı sıcaklığını ve üretilen hidrojen miktarına oranla en düşük enerjiyi gerektirir. İçten yanmalı motora gönderilen kalan gazın içinde, metanoldeki karbonun yükseltgenmesiyle oluşan CO2'in yanında, membrandan geçmeyen H2, biraz reformlanmamış metanol ve az miktarda da CO gibi yakılabilecek bulunur. Bu gazların içerdiği kimyasal enerji, içten yanmalı motorda (İYM) mekanik güç üretilerek değerlendirilir. Metanolün reformlanması için gereken ısıysa, membran refomerin dış kabuğunda bulunan eşanjörün içinden geçen, motorun egzoz gazından geri kazanılır. Böylece çift taraflı bir ısı ve gaz geri kazanımı sağlanarak, ısıl verim arttırılır. Yakıt pili ve motorun kalan gazdan ürettiği güç anlık yükü karşılamada yetersiz kalırsa, motorda yakılan dolguya ilave sıvı yakıt da karıştırılabilir. Literatürde paladyum temelli bir membran reformerde bir yakıt pili için saf hidrojen üretilmesi önerilmiştir. Bu kaynakça tepkenlerin buharlaştırılması ve metanolün reformlanması için gereken ısının, reformerin dış kabuğunda bulunan bir katalitik yakıcıda, membran reformerin kalan gazının yakılmasıyla geri kazanılabileceğini öne sürmüştür. Ancak reformerin ısıl ataleti, soğuk kalkış sürecinde buharlaştırma ve tepkime ısısının gereken çalışma sıcaklığında üretilmesinin sağlanması için gereken süreyi uzattığından, bu tür bir sistemin çabuk bir kalkış için gereken gücü üretmesi gecikir. Kaynakçadaki düzeneğe karşın bu tez çalışmasında, kalan gazın direk yakılması yerine, İYM'da yakılarak yakıt pilinin ürettiği elektrik gücüne yanında mekanik güç de üretilmesi ve metanolün reformlanması için gereken ısının motorun egzoz gazından geri kazanılması önerilmiştir. Mevcut otomotiv endüstrisinde kullanılan İYM sayesinde, soğuk kalkışta yakıtın motorda direk yakılarak mekanik güç üretilebilmesi, soğuk kalkış için reformerin ısınmasının beklenmesi gerekmez. Ayrıca böyle bir hibrit sistem İYM'un kullanılmadığı sadece reformer/yakıt pili içeren bir düzeneğe oranla ani yük değişimleriyle daha iyi başa çıkabilmektedir, çünkü reformerdeki ısı ve kütle geçişindeki değişim yavaş olduğundan, reformerde üretilen hidrojen ve bundan yakıt pilinde üretilen elektrik gücü istenilen hızda değiştirilemeyebilir. Motorda direk yakılan sıvı yakıtla, kalan gazın enerjisinin toplamı, dolgunun toplam enerjisidir. Buna karşın, reformerin kalan gazının enerjisinin, motorda yakılan toplam yakıt enerjisine oranı olan önkarışım oranının, dolguya enjekte edilen sıvı yakıt oranının arttırılarak düşürülmesi, üretilen gücün ani yük artışıyla baş edebilecek hızda artmasını sağlar. Bir diğer kaynakçadaysa, etanolün bir İYM'un egzoz gazından geri kazanılan ısıyla reformlanması önerilmiştir. Üretilen tüm hidrojeni içeren reformatın bir PEM yakıt pilinin anodunda yükseltgenmesinden önce bir su gazı reaktöründe CO'den temizlenmelidir. Yakıt pilinin anodundan çıkan gazın motorun dolgusuna karıştırılarak İYM'da yakılması önerilmiştir. Üretilen gücün yüke yetişmemesi halindeyse, dolguya ilave etanol karıştırılabilecektir. Böylece gerek soğuk kalkış, gerekse hızlı değişken yükler, etanolün motor dolgusuna uygun önkarışım oranında karıştırılmasıyla karşılanabilecektir. Ancak su gazı reaktörü, kalan gazdaki CO miktarını, yakıt pilinin elektrokatalizörünü zehirlemeyeceği seviyeye düşürmede yeteri kadar aktif olmamıştır. Bu tez çalışmasında önerilen modelse, reformerin bir membran bulundurması ve membrana sızan saf hidrojenin yakıt pilinin anoduna gönderilmesi açısından kaynakçadan farklılık göstermektedir. Yoğun paladyum membran sayesinde yakıt pilinin anot çevriminde saf hidrojen akmaktadır. Ayrıca yakıt pilinin kalan gazı yerine reformerin kalan gazı İYM'da yakılırken, yakıt pilinin anodundan çıkan yükseltgenmemiş saf H2 tekrar anod girişine yönlendirilip tamamen geri kazanıldığından, yakıt pilinin yakıt yararlanım oranı 100%'e ulaşmaktadır. Literatürdeki 2 farklı düzeneğin olumlu yanlarının yeni bir tasarımda sentezi, bu çalışmanın bilimsel katkısını oluşturmaktadır. Önerilen yakıt pili ? ısı makinası sisteminin orijinal modelinin yanında, bu modelin hesaplanması sırasında kullanılan yöntemler de bazı yenilikler içermektedir. Yakıtın bir yakıt pilinde kullanılmak için öncelikle hidrojene dönüştürülmesi söz konusuysa, yakıtların sadece enerji yoğunluğu açısından değerlendirilmesi uygun görülmemiştir. Literatürden farklı olarak üretilen hidrojen miktarının maksimize edilmesi için, yakıtın enerji yoğunluğunun, bunun H2'e dönüşümü için gereken enerjiyle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, çalışma sürecinde sayısal örneklerle irdelenmiştir. Ayrıca, kimyasal proseslerin kimyasal denge varsayılarak hesaplanmasında kullanılan Lagrange çarpanlar yöntemi de, için radikalleri de içeren kimyasal dengeye bağlı yanma ürünlerinin belirlenmesi için uygulanmıştır. Gerek tepkenler, gerekse ürünler, vektörlerle tanımlanarak, parametrelerin farklı değerleri için daha çabuk ve esnek hesaplama mümkün olmuştur. Yakıt pilinin İYM'a göre bir avantajı da, kısmi yüklerdeki ısıl veriminin maksimum yükteki ısıl veriminden yüksek olmasıdır. Bir PEM yakıt pilinin maksimum güçte ısıl verimi takriben % 40 olup, yükün düşmesiyle ısıl verim %50'ye kadar artış gösterir. Daha yüksek bir verimse ancak çok düşük yüklerde mümkündür. Dıştan ateşlemeli bir içten yanmalı motorunsa, maksimum yüke yakın değerlerdeki maksimum ısıl verim %35 civarında olup, yükün azalmasıyla bu değer düşer. Önerilen hibrit sistem, yakıt pilinin yüksek verimiyle, İYM'un esnekliğini birleştirir. Yakıt pilinin verimi yükle düşerken, İYM'un veriminin yükle artması, sistemin ısıl veriminin, bunun parçalarına oranla, yükten daha bağımsız olmasını sağlar. İYM metanolden elde edilen hidrojence bol sentez gazıyla çalıştırıldığında, gerek benzin gerekse metanole oranla adyabatik alev sıcaklığını düşürür. Bunun sonucunda eksik yanma ürünleri olan CO ve NOx gibi salınımların egzoz gazındaki oranı azalır. Ayrıca, sentez gazında bulunan hidrojen sayesinde, motorda daha fakir karışımların ateşlenebilmesi de kısmi yüklerde adyabatik alev sıcaklığında ilave bir düşüşün yanında motorun kısmi yük veriminin artmasının da sağlar. Metanol üretiminde son yıllarda sağlanan teknolojik gelişmenin yanında, hampetrol fiyatlarındaki devamlı artış, metanolün kilovat saat fiyatının, benzinin kilovat saat fiyatına oranla ucuzlamasını sağlamıştır. Bu sayede ısıl verim artışının yanında işletme maliyetinde düşüş sağlanarak, metanol temelli sentez gazının motorda kullanımı için yapılacak ilave yatırım maliyetinin daha kısa sürede amortize etmesi sağlanabilecektir.