Otomobillerde Kullanilan Yakıt Pillerinin Özellikleri

Features of The Use of Fuel Cell in Car

Adem YILMAZ

Batman Üniversitesi Metin ÖZLÜK Batman Üniversitesi Sinan ÜNVAR

Ağrı İbrahim Çeçen Üniversitesi

Abstract— Today, automobiles are the means of transportation that people use most. Since the day the car was invented, people are looking for a way to go too far. The reduction of fossil fuels, the damage to the environment and the expense have fueled this search for people. Renewable energy sources have come to the forefront, especially because their impact on the environment is so little to be desired and they are endless sources of energy. It appears that fuel cells are starting to take an important place in renewable energy sources. Automobile manufacturers are very interested in fuel cells. Automakers are introducing the next generation of fuel-cell vehicles.

In this study, improvements applied to automobiles after fuel cells were examined in terms of speed and range. In addition, automobile brands and models using fuel cells, characteristics of fuel cells used in automobiles, and applications of fuel cells to automobiles have been investigated.

Key words: Fuel cell, Fuel cells in vehicles, Fuel cell characteristics

ÖZET - Günümüzde otomobiller insanların en çok kullandığı ulaşım aracıdır. Otomobil icat edildiği günden bu yana insanlar az masrafla çok yol gitme arayışında olmuştur. Fosil yakıtların azalması, çevreye olan zararları ve pahalı olması insanların bu arayışını körüklemiştir. Özellikle çevreye olan etkilerinin yok denecek kadar az olması ve sonsuz enerji kaynağı olması nedeniyle yenilenebilir enerji kaynakları ön plana çıkmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları içinde yakıt pilleri önemli yer tutmaya başladığı görülmektedir. Otomobil üreticileri yakıt piline yoğun ilgi göstermektedirler. Otomobil firmaları ard arda yakıt pilli araçlarını tanıtmaktadırlar.

Bu çalışmada yakıt pillerinin otomobillerde uygulanmaya başladıktan sonraki gelişimleri hız ve menzil olarak irdelenmiştir. Ayrıca yakıt pillerinin kullanıldığı otomobil marka ve modelleri, otomobillerde kullanılan yakıt pillerinin özellikleri ve yakıt pillerinin otomobillere uygulama şekilleri araştırılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Yakıt hücresi, Araçlarda yakıt hücreleri, Yakıt Hücresi özellikleri

I. GİRİŞ

Tarih boyunca insanlar hayatta kalabilmek için çalışmak zorunda kalmıştır. Çalışırken daha az enerji harcayıp daha çok iş elde etmek için çeşitli aletler geliştirmiştir. Son yüzyılda makineleşme ile birlikte insan enerjisi yerini makine enerjisine bırakmıştır. Makinelerin çalışması için ise yine enerji ihtiyacı doğmuştur. İnsanoğlu bu enerji ihtiyacını fosil yakıtlardan karşılamaktaydı. Otomobillerde, spor amaçlı taşıtlarda, kamyonlarda, otobüslerde ve uçaklarda tüketilen enerjinin yaklaşık olarak %97'si halen fosil kaynaklardan karşılanmaktadır. [2]

Fosil yakıtların yakın zamanda tükenecek olması ve çevreye kötü etkilerinin ortaya çıkmasından sonra farklı enerji kaynaklarına yönelim artmıştır. Farklı enerji kaynaklardan biri yakıt pilleridir. Yakıt pillerinin maliyetinin yüksek olması dezavantaj. Fakat yakıt pillerinin maliyetlerinin düşürülmesi ve kullanımlarının yaygın hale getirilmesi için çalışmalar sürmektedir.[5] Kullanılan yakıtın enerji içeriğine bağlı olarak yakıt pili ile çalışan araçlarda güç üretimi %40-70 arasındadır. [5]Yakıt pillerinin özellikle “0”emisyonlu olması, fosil yakıtlara alternatif olması, gürültüsüz olması ve elektrikli araçlara göre daha uzun menzile sahip olması gibi faktörler nedeniyle büyük otomobil üreticilerinin dikkatini çekmiş ve bu alana yatırımlarını artırmışlardır. Şu anda hemen hemen bütün otomobil üreticileri yakıt pili ile çalışan araçlar üretmekte birçoğu test aşamasındayken birkaç firma piyasaya yakıt pilli araç sürdü bile. 2035’li yıllara kadar tüm yeni ulaşım araçlarının %5’inde yakıt pilli olacağı öngörüleri vardır [8].

II. YAKIT PİLİ Yakıt ve saf oksijenin veya havanın elektrokimyasal tepkimesi

sonucu elektrik üreten sistemlere yakıt pili denir. [3] Yakıt olarak genellikle hidrojen kullanıldığından emisyon değeri “0” dır. Açığa sadece saf su ısı çıkar.

Yakıt pili basit olarak elektrolit, anot ve katottan oluşur. Anot

kısmından gaz yakıt, katot kısmından ise hava veya oksijen gönderilir. Burada elektro kimyasal bir tepkime oluşur. Bu tepkime sonucunda elektron akışı ve elektrik gerilimi meydana gelir.[6] Tepkime sonucunda ısı ve saf su sistemden atılır. Eğer yakıt olarak karbonlu bileşik kullanılırsa açığa karbondioksit çıkar.Yüksek sıcaklıkta çalışan pillerde soğutma ekipmanı kullanılması gerekir.[5]

212

Şekil 1 : Yakıt Pili Çalışma Prensibi [9]

Şekil 2 : Tekli Polimer Elektrolit Plakalı Yakıt Pili [4] III. YAKIT PİLİNİN OTOMOBİLLERDE UYGULANMASI

Bir otomobilin 0 km den 85 km hıza çıkabilmesi için yaklaşık

500kw enerjiye ihtiyacı vardır.[1]Yakıt pilleri bu gücü rahatlıkla karşılayabilmektedir. Hidrojen, bilinen tüm yakıtlar içinde birim kütle başına en yüksek enerjiye sahip olması hidrojeni çekici kılıyor[7]. Örneğin üst ısıl değeri, 141.9 MJ/kg , benzininkinin üç katıdır ancak hacimsel olarak bakıldığında hidrojenin çok düşük yoğunluğundan dolayı 11.89 MJ/m3 olmaktadır. Yani birim hacimde bulunan gazın üst ısıl değeri düşük olmaktadır. Bu özelliği hidrojenin taşıt araçlarında yakıt olarak kullanılmasını zorlaştırıyor ve küçük hacimlerde fazla miktarlarda hidrojenin depolanması için tüm dünyada çok yönlü araştırma geliştirme faaliyetleri sürdürülmektedir.[7]

Şekil 3: 1966 GM Electrovan Yakıt Pilli ilk araç[21]

Yapılan bu çalışmaların sonucu General motor tarafından 1966

yılında ilk yakıt pilli araç üretildiğinde aracın hızı 115 km iken araç bir depo hidrojen ile 240km yol alabiliyordu.

Yakıt pilinin otomobillere uygulanması yapı itibarıyla içten

yanmalı motor kullanan otomobilden çok elektrik enerjisi ile çalışan otomobil yapısına benzemektedir. Sistem temelde; hidrojen tankı, yakıt pili sistemi, AC/DC dönüştürücü, elektrik motorundan oluşmaktadır. [10]

Şekil 4: Yakıt pilli otomobil genel devre şeması [3] Hidrojen güçlendirilmiş bir tankta depolanmaktadır. Hidrojen

yakıt piline doğru giderken verimin artması için nemlendirici tarafından nemlendirildikten sonra yakıt piline gönderilir. Aynı anda kompresör tarafından hava yakıt piline gönderilerek yakıt pilinde bir elektrokimyasal tepkime meydana getirilir. Bu tepkime sonucunda elektrik oluşur. Elektrik bir dönüştürücü vasıtasıyla elektrik motoruna gönderilerek araç hareketi sağlanır. Elektriğin bir kısmı ile de akü şarj edilir.

Tepkime sonucu açığa saf su ve ısı çıkar. Oluşan sıcaklığı

soğutmak için soğutma fanı kullanılır.

Şekil 5: Otomobil yakıt pili çekiş sistemi[3]

213

Şekil 6: Direkt hidrojen Polimer Elektrolit Yakıt Pili ile Sıfır

Emisyonlu Taşıt, P2000, Ford Motor Şirketi Üretici firmalar otomobillerde yakıt pili uygulamalarını genelde

aynı yapmıştır. Yani hidrojen tankı arka koltukların altına konulmuştur. Yakıt pili sürücü koltuğunun altına yerleştirilmiştir. Elektrik motoru da aracın ön kısmına yerleştirilmiştir. Yine çekiş olarak önden çekiş tercih edilmiştir. Bir yakıt pilli otomobilde kullanılan temel parçalar şunlardır;

Şekil 7: Honda FCX yakıt pili uygulaması

Şekil 8: MITSUBISHI FCV yakıt pili uygulaması

Şekil 9: TOYOTA MİRAİ yakıt pili [14] A. HİDROJEN TANKI; hidrojeni depolamak için kompozit malzemeden yaklaşık 700 bar basınca dayanabilen tanklar üretilmiştir. Hidrojeni tank içerisinde sıvı halde tutar. Tank ağırlığı ortalama 5kg civarındadır.

Şekil 10: Hidrojen Tankı [9] B. AKÜ; yakıt pili ile elde edilen elektriğin depolanması ve sitemde elektrik dalgalanması yaşanmaması için aküler kullanılır. Yakıt pilli otomomobillerde kullanılan aküler genelde Lithyum-İyon piller olmakla beraber Nikel-Kadminyum (Ni-Cd) piller de kullanılmaktadır. Genel olarak 40Ah akım üretirler.

Şekil 11: Yakıt Pilli Otomobillerde Kullanılan Akü

C. ELEKTRIK MOTORLARI; aracın hareket etmesini sağlayan elektrik motorudur. Üretilen elektriğin güce dönüştüğü kısımdır. Yani elektrikenerjisi burada mekanik enerjiye dönüşür. Içten yanmalı motorlara gore çok sessizdirler.

214

Şekil 12: Yakıt Pilli Otomobillerde Kullanılan Elektrik Motoru D. AC/DC ÇEVİRİCİLER (BOOST CONVERTER); yakıt

pilinde üretilen elektrik doğru akımdır. AC/DC çeviriciler doğru akımı alternative akıma çavirerek elektrik motorunun çalışmasını sağlarlar.

Şekil 13: AC/DC çevirici [14]

E. KONTROL ÜNITESI; sistemin çalışmasını deneteleyen, sistemin çalışmasını sağlayan bölümdür. Bir başka deyişle aracın beynidir.

Şekil 14: Kontrol Ünitesi[14] F. HIDROJEN DEVIR DAIM POMPASI; hidrojen yakıtı aslında

pompaya ihtiyaç duymadan sisteme kendiliğinden girer. Ama sistemde kullanılmayan hidrojenin tekrar kullanılması gerektiğinden bunun için bir devir daim pompası kullanılmaktadır.

Şekil 15: hidrojen devir daim pompası [14] G. KOMPRESÖR; Yakıt piline gerekli havayı basıçlı olarak

sağlar.

Şekil 16: kompresör [14] Otomobil üreticilerinin yakıt pili ile çalışan otomobil üretimi

konusunda oldukça iştahlı davrandıklarını her birinin yakıt pili ile çalışan otomobil tanıtımı yapmalarından anlayabiliyoruz. Özellikle Toyota bu konuda oldukça istekli şu anda Toyota Mirai piyasaya çıkmış ve Asya ve Avrupa da satışının yapıldığı görülmektedir. Firmaların ürettikleri otomobillerin teknik özelliklerine baktığımızda ise birbirine yakın değerler görüyoruz.

MARKA MODELTEK DOLUM İLE MENZİL (KM)

MAX HIZ (KM/H)

GÜÇ (HP)

TORK (NM)

AKÜ (KW)

HYUNDAİ İX35 594 (5,94KG TANK VE 700BAR) 160 136 300 24BMW İ8 500(350 BAR) 250 131 245 5AUDİ A7 500 180 115 170 9TOYOTA MİRAİ 550(122LT TANK VE 700BAR) 178 154 335FİAT PANDA 200 120FORD FLEXİBLE 430 140 176 230FORD FOCUS 320(350 BAR) 128 87 230 24MERCEDES GLC 440(9 KG) 120 200 350 14MİTSUBİSHİ FCV 400(117LT TANK 350 BAR) 140 110 210 14HONDA CLARİTY 750(700 BAR) 165 130 300 13GM &OPEL HydroGen3 (700 BAR) 160 82 215GM &OPEL hydroGen4 320 (4,2 kg tank 700 BAR) 160 94 320 Tablo1: Bazı Otomobil Markalarının Teknik Verileri Yukarıdaki tablodan anlaşıldığı gibi elektrikli otomobillerde çok

büyük sorun olan menzil yakıt pili ile çalışan araçlarda sorun olmaktan çıkmış. Ortalama araçlar 400 km menzile ulaşmış gözüküyor. Burada Honda Clarity’nin menzilinin 750 km ulaşmış olması menzil konusunda ne kadar ileri gidildiğinin göstergesidir.

Yakıt dolum süresi elektrikli otomobillerde saatleri

bulurken, yakıt pilli otomobillerde bu süre sadece birkaç dakika. Bu özellik ile istasyonlarda bekleme sorunu kalmıyor.

Araçların hız ve çekiş kuvvetlerine baktığımızda içten

yanmalı motor performansına yaklaştığı görülüyor. Hız ortalamalarının saatte 140 km ye ulaştığı görülmektedir. Şehirler arası hız limitinin 120 km/h olduğu düşünüldüğünde bu hız yeterli görünüyor. BMW İ8’in 250 km hıza ulaşması hız konusunda da yakıt pilinin önünün açık olduğu görülmektedir.

Yakıt pilinin otomobillerde uygulanması konusunda en

büyük handikabının hidrojen tankının çok yer kaplaması ve çok yüksek basınçlara ihtiyaç duyması. Yüksek basınç güvenlik riskini ortaya çıkarıyor. Bu risk yakıt pilinin geleceği açısından da büyük bir sorun oluşturuyor.

215

Yakıt pilinin otomobillerde uygulanması halen test ve araştırma aşamasında olması yakıt pilinde olabilecek arıza ve problemlerin tam olarak anlaşılması açısından daha zamana ihtiyaç olduğunu gösteriyor.

Tablo 2:Honda’nın yıllara göre menzil değişimi

Tablo 3: Toyota ve Honda’nın yıllara göre menzil değişimi

Tablo 4: Honda’nın yıllara göre güç değişimi

Tablo 5: Toyota ve Honda’nın yıllara göre güç değişimi Yakıt pilli araçların geleceği hakkında bilgi vermesi açısından

Honda markasının yıllara göre güç ve menzilini inceledim. 2000 yılında Honda FCX-V3 modeli üzerinde çalışmış. Gücü 60 Kw iken menzili 180 km olmuş. 2002 yılında FCX-V4 modelini geliştirmiş gücü 60kw de kalırken menzilini 315km ye çıkarmıştır. 2004 yılında FCX modelinde gücü 80kw ye çıkarırken menzilini 430 km gibi artık kullanılabilir otomobil menziline ulaşmıştır. 2007 yılında Clarity modeliyle güç 100kw ulaşmış standart bir içten yanmalı otomobil gücüne ulaştığı görülmüştür. Menzilini ise 750 km ye çıkararak, içten yanmalı motorların tahtını sallayacağının sinyalini vermiş oldu. 2016 yılında Clarity modelini biraz daha geliştiren Honda gücü 130kw çıkarmış menzili 750 km de tutmuştur. Clarity’nin bu güçle artık yakıt pilli araçların piyasada var olacağını göstermiş oldu.

IV. SONUÇ Yerli otomobil üretimi için atılan adımlar ışığında üretilecek

otomobilin pazara girebilmesi için geleceğe hitap etmesi de gerekir. Yakıt pili ile çalışan otomobil üretimleri artmakta maliyetler gün geçtikçe azalmaktadır. Araçların menzili ve gücü her geçen yıl artmaktadır. Yapılan araştırma sonucunda yakıt pili ile çalışan araçların yapı ve teknik olarak birbirlerine çok benzedikleri ortaya çıkmıştır. Bu özellik piyasaya yeni girecek üreticiler için büyük bir şanstır.

Türkiye’nin yakıt pili ile çalışan otomobil yapacak altyapısı

vardır. İyi bir planlama ile otomobil piyasasında hatırı sayılır bir yer edinebilir.

KAYNAKLAR

1- Pischinger, S.,Schönfelder, C., Ogrzewalla, J.,“Analysis of Dynamic Requirements ForFuelCell Systems For Vehicle Applications”, Journal of Power SourcesXxx (2005) XxxXxx, ArticleIn Pres

2- Romm, J.,“The Car andFuel of TheFuture”, (2006)EnergyPolicy,ArticleIn Pres

3- JayTaweePukrushpan, ModelingAnd Control Of Fuel Cell Systems And Fuel Processors, The University Of Michigan 2003

4- ŞENOL,R.,ÜÇGÜL,İ.,ACAR, M.,Yakıt Pili Teknolojisindeki Gelişmeler ve Taşıtlara Uygulanabilirliğinin Ölçülmesi, Mühendis ve Makine Dergisi Cilt:47 Sayı:563

216

5- Çetinkaya M. ve Karaosmanoğlu F., 2005. Yakıt Pilleri, Makina Mühendisleri Odası Bülteni

6- San F., Özdemir S., Örs N., Kalafatoğlu E. ve Bahar T., 2001. Hidrojen Yakıt Pilleri : Otomotiv Endüstrisindeki Uygulamalar ve Geleceği,

7- Kınav, E.,Hidrojenin Ulaşımda Yakıt Olarak Kullanılması: Hibrit Elektrikli Şehir İçi Kişisel Ulaşım Aracı Konsepti, İstanbul 2007

8- Sven A. Beiker, “Between Old Economy and theNext Big Thingthe Automobile on its Way to theFuture ”,www.stanford.edu/class/me302/.../Future%20Automobile%202010-09-21. Pdf, September 2010

9- Okumuş, E.,Yakıt Pili ve Kontrol Sistemi,TÜBİTAK, Kocaeli 2017

10- Yılmaz, A., Kurtaran, A., “Yakıt Hücrelerinin Taşıtlara Uygulanması” İnternationalEngineering, ScienceAndEducation Conference, Batman 2016

11- www.hyundai.com/tr

12- www.bmw.com.tr 13- www.audi-mediacenter.com 14- http://www.toyota-

global.com/innovation/environmental_technology/fuelcell_vehicle/

15- http://www.hydrogen-motors.com/fiat-panda-hydrogen.html

16- http://www.hydrogen-motors.com/ford.html 17- www.mercedes-benz.com 18- www.mitsubishi-motors.com 19- https://automobiles.honda.com/clarity-fuel-cell 20- http://www.toyota-

global.com/pages/contents/innovation/intelligent_transport_systems/world_congress/2014detroit/pdf/History_of_Toyota_s_Fuel_Cell.pdf

21- http://media.gm.com/media/us/en/gm/home.detail.html/content/Pages/news/us/en/2016/oct/1005-hydrogen.htm

217