Atölye Çalışması 1 Dersi 5. Ünite Özet

Giriş

Hidrojenin oksijenle yakılarak enerji açığa çıkması sağlanır. Yanma deyimi malzeme içinde bulunan hidrokarbonların ortamda bulunan oksijenle reaksiyona girerek ısı enerjisinin ortaya çıkması olarak tanımlanabilir. Yanma olayında ısı enerjisinin yanında kül, nem veya zehirli gazlar da atık olarak ortama yayılır. Hidrokarbonların oksijenle reaksiyona girerek yanmasıyla bir kimyasal olay gerçekleşir. Kimyasal olayda malzemenin yanmadan önceki durumuna dönmesi mümkün değildir. Hidrojenin oksijenle reaksiyona girerek yanma olayını gerçekleştirmesi biraz farklıdır. Hidrojenin yanmasıyla ısı veya elektrik enerjisi ortaya çıkarken atık olarak sadece su meydana gelir. Atık olan suyun molekül yapısı bildiğimiz iki hidrojen ve bir oksijen atomlarından meydana gelir. Başka bir deyişle atık zararlı bir atık değildir ve su tekrar ayrıştırılarak hidrojen ve oksijen elde edilir. Bu durumda hidrojenin enerji kaynağı olarak kullanılması çevreye zarar vermeyen temiz enerji kaynağı dır. Diğer taraftan ürün olarak elde edilen su da yeni bir enerji kaynağı olarak kullanılır.

Güvenlik Önlemleri

Laboratuvarlarda alınabilecek güvenlik önlemler laboratuvarda yapılan çalışmalara bağlı olarak farklılık göstermektedir. Elektrik laboratuvarında çalışmaya başlamadan önce, laboratuvardaki görevliler öğrencilere bir tehlike anında laboratuvardaki elektriği kesecek ana elektrik panosunun yerini ve elektrik enerjisinin nasıl kesileceğini öğretmelidirler. Öğrencilere, herhangi bir kazanında itfaiyeye, sağlık görevlilerine ve okulda bulunan görevlilere nasıl haber verecekleri konusunda bilgi verilmelidir. Ülkemizde İTFAİYE’ye 110, HIZIR ACIL Servisi’ne 112 ve Polise 155 numaralı telefonlardan kolayca ve ücretsiz haber verilebilmektedir.

Teorik Bilgi

Hidrojen molekül (H ₂ ) halinde bulunur. Hidrojen molekülü iki hidrojen atomunun bir araya gelmesiyle oluşur. Doğada hidrojen molekülü serbest halde nadir olarak bulunur. Hidrojen molekülü oksijen (O) atomuyla çok çabuk bağ yaparak H ₂ O (su) molekülünü meydana getirir. Dünyanın ¾’nün su ile kaplı olduğu düşünüldüğünde, yer küredeki hidrojen miktarının bolluğu daha iyi anlaşılmış olacaktır.

Hidrojen gazının özellikleri şunlardır:

• Zehirsizdir ve yanıcıdır.
• Çevreyi kirletmez.
• Kokusuzdur.
• Tatsızdır.
• Kolay uçucudur.
• Kendi başına patlayıcı değildir.
• Radyoaktif değildir.

Hidrojen gazının tutuşma sıcaklığı 560 °C olduğundan kolayca tutuşmaz. Hidrojen gazının oksijenle yakılmasıyla yaklaşık 3000 °C sıcaklıklar elde edilebilmektedir. Hidrojenin yapısında bulunan bu enerji hidrojen gazının enerji kaynağı olarak kullanılmasını ön plana çıkarmaktadır. Hidrojenin doğada bol bulunması, temiz olması ve kullanılabilecek enerjiye sahip olması onu temiz enerji kaynağı olarak kullanmayı cazip duruma getirmektedir. Hidrojen gazının enerji kaynağı olarak kullanılması önce hidrojen gazının bileşiklerden ayrılarak üretilmesini gerektirmektedir. Hidrojen gazı çeşitli yöntemlerle elde edilmektedir.

Suyun Elektrolizi

Suyun elektrolizi işleminde dikkat çeken noktalar doğru akım kaynağı kullanmak, suyun iletken olmasını sağlamak ve metal çubuk olarak platin kullanmaktır. Doğru akım kaynağı, yük taşımasını sağlamak için tuz, asit ya da baz ilave edilmiş elektrolit içinden geçirilir. Bunun için reaksiyon oluşumunu sağlayan ancak reaksiyona girmeyen katalizörler (platin gibi) elektrot olarak kullanılır. Üretecin pozitif kutbuna bağlanan anotta oksijen gazı oluşurken, negatif kutba bağlanan katotta hidrojen gazı oluşur (S:112, Şekil 5.1). Anotta O ₂ ve katotta H ₂ oluşurken meydana gelen reaksiyon aşağıdaki denklem ile gösterilir:

2H ₂ O + 2e ^- › H ₂ + 2OH ^-

2OH ^- › 1/2 O ₂ + H ₂ O + 2e ^-

Oluşan gazların tekrar karışmasını engellemek için her iki hücre arasına ince bir tabaka konulur. Bu basit yöntem kullanılarak hidrojen gazı elde edilmektedir. Bu yöntemle elde edilen hidrojen gazı miktarı oldukça azdır.

PEM ile Suyun Elektrolizi

Bu yöntemle proton değişim zarı su elektroliz cihazı kullanılarak hidrojen elde edilmektedir. Bu cihaza “PEM su elektroliz cihazı” denir (S:112, Şekil 5.2).

PEM su elektroliz cihazının şematik görünümü Sayfa 109’daki Şekil 5.3’te verilmiştir.

Hidrojen Yakıt Hücresi

Hidrojen yakıt hücreleri, hidrojen gazını kullanarak elektrik enerjisi üreten cihazlardır. Çeşitli hidrojen yakıt hücreleri üretilmekle birlikte bunlardan deneyde kullanılacak olan polimer elektrolit zar veya proton değişim zarı (polymer electrolyte membran veya Proton Exchange Membrane, PEM) yakıt hücreleridir. Bu cihaza “PEM yakıt hücresi” denir (S:114, Şekil 5.4).

PEM yakıt hücresinin şematik görünümü Sayfa 114’deki Şekil 5.5’te verilmiştir.

Teknolojide yakıt hücrelerinin kullanıldığı yerler şunlardır:

• Otomobiller,
• Scooter ve bisikletler,
• Golf arabaları,
• Küçük ölçekli güç sistemleri,
• Yedek güç sistemleri,
• Taşınabilir güç sistemleri,
• Uçaklar,
• Lokomotifler,
• Gemiler,
• Sualtı araçları.

Dünyada Hidrojen Enerjisi

Dünyada hidrojen üretimi yıllık 50 milyon ton veya 500 milyar m3 olduğu ifade edilmektedir. Üretilen hidrojen çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Dünyada üretilen hidrojenin büyük bir kısmı kimya sanayinde kullanılmaktadır. Bunun yanında suni gübre üretiminde, margarin üretiminde ve rafinerilerde kullanılmaktadır. Hidrojen üretiminin bir bölümü gaz ve sıvı olarak elde edilmektedir. Diğer taraftan üretilen hidrojenin enerji kaynağı olarak kullanımı yaygın değildir. Hidrojen gazını kullanarak elektrik enerjisi üreten yakıt hücreleri kullanımı gittikçe artmaktadır.

Türkiye’de Hidrojen Enerjisi Potansiyeli

Türkiye’de hidrojen yakıtı üretiminde kullanılabilecek olası kaynaklar; hidroelektrik enerji, güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, gel-git enerjisi, jeotermal enerji ve adım atılması gereken nükleer enerjidir. Türkiye gibi gelişme sürecinde ve teknolojik geçiş aşamasındaki ülkeler açısından, uzun dönemde güneş pili-hidrojen sistemi uygun görülmektedir.

Türkiye’nin hidrojen üretimi açısından bir şansı, uzun bir kıyı şeridi olan Karadeniz’in tabanında kimyasal biçimde depolanmış hidrojen bulunmasıdır. Karadeniz’in suyunun % 90’ı anaerobik (oksijensiz) ve hidrojen sülfür (H ₂ S) içerdiği bilinmektedir. Elektroliz reaktörü ve oksidasyon reaktörü gibi iki reaktör kullanılarak, H ₂ S’den hidrojen üretimi konusunda yapılmış teknolojik çalışmalar vardır.

Deneyde Kullanılacak Araç ve Gereçler

Deney de kullanılacak araç ve gereçler şunlardır (S:116, Şekil 5.6):

1. Güç kaynağı 1 adet
2. Modüller 16 adet
3. Saf su kabı 1 adet
4. Ampermetre 1 adet
5. Voltmetre 1 adet
6. Koruyucu gözlük 2 adet
7. Kronometre 1 adet
8. Su/gaz hortumları 10 adet
9. Hortum sıkıştırma kelepçeleri 2 adet
10. Kablolar 6 adet

Deneyde kullanılacak araç ve gereçlerden bazıları kısaca şöyle açıklanabilir:

• Güç Kaynağı: Güç kaynağı suyu elektroliz edecek elektroliz cihazına enerji sağlayacaktır (S:117, Şekil 5.7). Güç kaynağının başlıca bölümleri şunlardır:
  • Voltaj ayar düğmesi,
  • Akım ayar düğmesi,
  • AC çıkış voltajı,
  • DC çıkış voltajı.
    Bu deneyde su elektroliz cihazına 2 V’luk dc gerilim uygulanacaktır.
• Elektrik Devresini Oluşturan Modüller: Elektrik devresini oluşturan modüller, üzerinde iletim yolları belirtilmiş ve içlerinde iletken teller bulunan plastik kutulardır (S:118, Şekil 5.8(a)(d)). Modüller çeşitli şekillerde elektrik iletimini yönlendirebilecek şekilde oluşturulmuşlardır (S:118, Şekil 5.9).
• Ampermetre/Voltmetre: Devredeki elemanlar üzerinden geçen akımın veya herhangi bir devre elemanı üzerindeki gerilimi ölçme işlemlerinde ampermetre ve voltmetre cihazları kullanılır. Multimetre cihazları, akım (dc ve ac), voltaj (dc ve ac), direnç değeri (ohm), sığa ve sıcaklık değerleri gibi birçok niceliği ölçtüğünden bu cihazlar multimetre olarak isimlendirilirler. Bu deneyde kullanılacak multimetrenin bölümleri şöyle sıralanabilir (S:119, Şekil 5.10 (a)-(b)-(c)):
  • Digital ekran,
  • POWER, açma-kapama düğmesi,
  • Kademe anahtarı,
  • DC akım ölçüm bölgesi,
  • AC akım ölçüm bölgesi,
  • DC voltaj ölçüm bölgesi,
  • AC vultaj ölçüm bölgesi,
  • Akım ve voltaj ölçümü için kullanılacak probların yuvaları.
• Saf Su: Deneyde hidrojen ve oksijen gazları saf suyun elektroliz edilmesiyle elde edilecektir. Katkılı veya şehir şebekesinden alınacak suyun kullanılması elektroliz cihazına zarar verdiğinden dikkat edilmelidir.
• Koruyucu Gözlük: Koruyucu gözlükler deney yapılırken hidrojen ve oksijen gaz oluşumu sırasında herhangi bir patlamaya karşı gözleri korumak üzere kullanılacaktır (S:120, Şekil 5.11).
• Kronometre: Deneyde gaz oluşumu gözlemlenirken devreden geçen akımın süresini belirlemede kronometre kullanılacaktır (S:121, Şekil 5.12).
• Su/Gaz Hortumları: Deneyde kullanılacak suyun su tanklarından PEM su elektroliz modülüne aktarılması ve suyun elektrolizi ile bu modülde ayrıştırılan hidrojen ve oksijen gazlarının yine su tanklarına aktarılması bu hortumlarla sağlanacaktır (S:121, Şekil 5.13).
• Hortum Sıkıştırma Kelepçeleri: Bu kelepçeler tanklardan modüllere su aktarımı veya gaz aktarımı sırasında kaçakları önlemek için hortumların sıkıştırılmasında kullanılacaktır (S:121, Şekil 5.14).

Deney Düzeneğinin Kurulması ve Deneyin Yapılışı

Bu ünitede yapacağınız deney iki aşamadan oluşmaktadır:

• Birincisi PEM cihazıyla H ₂ gazının, saf suyun elektrolizi yoluyla elde edilmesi ve depolanmasıdır.
• İkincisi ise depolanmış H ₂ gazının, PEM yakıt hücresinde yakılarak elektrik enerjisi elde edilmesidir.

H ₂ Gazının Elde Edilmesi

Deney düzeneğini PEM su elektroliz cihazından başlayarak kurunuz. PEM cihazına tek yuvalı modülleri takınız (S:122, Şekil 5.16). Su tank modüllerini devreye takınız (S:122, Şekil 5.17(a)). PEM su elektroliz modülünde bulunan hortumların elektroliz modülündeki gaz çıkış yuvasından çıkartıp hortumun çıkan ucunu su tankının üzerinde bulunan su çıkış yuvasına takınız (S:123, Şekil 5.18). Aynı işlemi diğer hortum için de yapınız.

Size verilmiş olan hortumlardan iki tanesini PEM cihazının gaz çıkışlarını tankların gaz girişlerine bağlayınız (S:123, Şekil 5.19(a)).

Tankın üzerindeki hazneye su belirli bir ölçekte konacaktır. Hazneye su doldururken bu suyun alt bölmeye geçmesini önlemek için tankın arkasındaki gaz çıkış yuvasına bir hortum takılır ve bu hortum bir kelepçeyle sıkılır. Hortumu sıkıştırma işlemini hortumun boşta kalan ucuna yakın bölümünden yapınız (S:124, Şekil 5.20).

Devreyi kurmaya PEM yakıt hücresini takarak devam ediniz. Köşe modüllerden iki tanesini kullanarak devreyi kurunuz (S:125, Şekil 5.22).

Güç kaynağının kapalı (OFF) olduğunu kontrol ettikten sonra güç kaynağı üzerindeki akım ve voltaj düğmelerini sıfırlayınız. Güç kaynağının dc pozitif voltaj çıkış yuvasına kırmızı kablo ve negatif çıkış ucuna mavi kablo takınız.

Güç kaynağına taktığınız kırmızı kablonun boşta kalan ucunu ampermetrenin 20 mA yuvasına takınız (S:125, Şekil 5.23(a)). Başka bir kırmızı kabloyu ampermetrenin COM yuvasına takınız. Kırmızı kablonun boşta kalan ucunu devrenin tek yuvalı modülüne takınız (S:125, Şekil 5.23(b)).

Güç kaynağına takılan mavi kablonun boşta kalan ucunu devredeki tek yuvalı modüle takınız (S:126, Şekil 5.24(a)).

Voltmetreyi boştaki kırmızı ve mavi kabloları kullanarak su elektroliz cihazına paralel bağlayınız (S:125, Şekil 5.23(b)). Bu işlem için kırmızı kablonun bir ucunu voltmetre üzerindeki V·?·CAP yuvasına, mavi kablonun bir ucunu voltmetre üzerindeki COM’a takınız. Kırmızı kablonun boşta kalan ucunu daha önce devreye taktığınız ampermetreden gelen kırmızı kablonun ucuna takınız (S:125, Şekil 5.23(b)). Mavi kablonun boşta kalan ucunu daha önce güç kaynağından gelen ve devreye taktığınız mavi kablonun üstüne takınız (S:126, Şekil 5.24(b)).

Bir sonraki aşamada, su tanklarına saf su konulacaktır (S:126, Şekil 5.25(a)). Tanklara su doldururken tank üzerinde işaretlenmiş çizgiye kadar saf su koyunuz (S:126, Şekil 5.25(b)). Tankın üst bölümünde işaretlenmiş çizgiye kadar su olduğuna ve bu suyun tankın alt bölmesine geçmediğine dikkat ediniz. Su doldurma işlemini her iki tank için ve belirtilen seviyelere kadar su koyarak yapınız.

Su tanklarının arkasında bulunan kelepçeyle sıkıştırılmış hortumları kelepçeleri gevşeterek açınız ve kelepçeleri çıkartınız (S:127, Şekil 5.26). Bu işlemi yaparken tankın üst bölümündeki suyun elektrik devresine bağlı bulunan devre elemanları üzerine dökülmesini önlemek için hortumun boşta kalan ucunu yukarıda tutunuz. Üst bölümündeki su tamamen tankın alt bölümüne geçtiğinde hortumu serbest bırakınız. Bu işlemi her iki tanktaki hortum üzerindeki kelepçeleri gevşeterek yapınız (S:127, Şekil 5.27).

Devredeki PEM yakıt hücresinde takılı hortumların hücrenin üst bölümündeki yuvadan uçlarını çıkartınız (S:128, Şekil 5.28). Daha önce kelepçeleri çıkarttığınız hortumların boşta kalan uçlarını PEM yakıt hücresinde açıkta kalan üst yuvalara takınız. Bu işlemi her iki hortum için yapınız.

Böylelikle hidrojen ve oksijen gazlarını üretecek ve bu üretilen gazların depolanmasını sağlayacak devre tamamlanmış olmaktadır (S:128, Şekil 5.29).

Deneyin Yapılışı

Deneyde önce saf suyun elektroliz işleminden yeterli miktarda hidrojen gazı ve oksijen gazı elde edilecektir. Bu işlem için kurduğunuz devredeki voltmetreyi 20 volt göstergesine ve ampermetreyi 2 A göstergesine kademe anahtarından ayarlayınız. Güç kaynağının fişini prize takınız. Güç kaynağını POWER düğmesini kullanarak açınız. Voltmetre ve ampermetre AUTO POWER OFF düğmesine basarak açınız. Güç kaynağının gerilim düğmesini 2 volt’a ayarlayarak PEM su elektroliz cihazına 2 volt’luk gerilim uygulayınız. 2 voltluk gerilimi 3 dakika uygulamaya devam ediniz (S:129, Şekil 5.30).

PEM su elektroliz cihazı 3 dakika çalıştıktan sonra PEM yakıt hücresi üzerinde takılı bir uçları boşta olan hortumları tamamen çıkartıp boşta kalan yuvalara yakıt hücresinin, her iki yanında bulunan, üzerinde takılı olan ve bu yuvaları kapatmaya yarayan siyah kapakları takınız (S:130, Şekil 5.31).

PEM yakıt hücresine siyah kapakları kapattıktan sonra hidrojen depolama tankının alt bölmesindeki su seviyesini kontrol ediniz (S:130, Şekil 5.32).

Hidrojen tankındaki su seviyesi 10 cm ³ çizgisine geldiğinde kronometreyi başlatarak zamanı ölçmeye başlayınız. Diğer taraftan ampermetredeki akım (I _i ) ve voltmetre’deki voltaj (V _i ) değerlerini kontrol ederek ilgili çizelgeye yazınız (S:131, Çizelge 5.1). Su seviyesi 25 cm³ çizgisine gelinceye kadar kronometreyle zamanı ölçmeye devam ediniz. Su seviyesi 25 cm³ seviyesine geldiğinde kronometreyi durdurunuz. Ampermetreden akım değerini (I _s ), voltmetreden voltaj değerini (V _s ) ve kronometreden süreyi kontrol ederek değerleri ilgili çizelgeye yazınız (S:131, Çizelge 5.1).

Hidrojen gazı tankındaki su 30 cm³ seviyesine düşünceye kadar PEM su elektroliz cihazının çalışıp hidrojen ve oksijen gazı üretmesine devam ediniz (S:131, Şekil 5.33). Su tanklarının üst bölmesinde suyun biriktiğine dikkat ediniz.

Hidrojen tankındaki su 30 cm³ seviyesine düştüğünde güç kaynağını kapatınız ve PEM su elektroliz cihazından oksijen tankına gaz akısını sağlayan hortuma ve bu hortumun altındaki diğer hortuma kelepçeleri takarak hortumları sıkıştırınız. Hortumları kelepçelerle sıkıştırmakla su elektroliz cihazına su ve oksijen gazının tekrar cihaza gelmesine engel olunur ve oksijen gazının depoda kalması sağlanır. Böylelikle hidrojen yakıt hücresinde kullanılacak hidrojen gazı ve oksijen gazı tanklarda biriktirilmiş oldu (S:132, Şekil 5.34). Tanklarda depolanan H ₂ ve O ₂ gazları saf suyun elektrolizinden elde edildiğinden saflık dereceleri oldukça yüksektir.

Hidrojenden Elektrik Elde Edilmesi

Elde edilen hidrojen ve oksijen gazları kullanılarak elektrik enerjisi elde edilecek devrenin kurulması için aşağıdaki işlemleri yapınız. PEM su elektroliz cihazına bağlı güç kaynağı, ampermetre ve voltmetre kablolarını devreden çıkartınız. PEM yakıt hücresinin bulunduğu bölüme çift yuvalı, iki adet tek yuvalı, düz, reosta ve çark modülleri kullanarak diğer devreyi kurunuz (S:132, Şekil 5.35). Devredeki tek yuvalı modüllerin bir siyah kablo ile birleştirildiğine dikkat ediniz. Reostanın düğmesini saat yönünde sona kadar çeviriniz.

Bir önceki deneyde devreden çıkarttığınız voltmetre ve ampermetrenin ayarlarını değiştirmeden voltmetre ve ampermetre kablolarını modüllerdeki yuvaya takınız (S:133, Şekil 5.36). Bu işlemi gerçekleştirirken pozitif ve negatif uçların doğruluğunu kontrol ediniz.

Böylelikle hidrojenin PEM yakıt hücresinde yakılarak elektrik enerjisi elde edilecek devre kurulmuş olmaktadır.

Deneyin Yapılışı

PEM yakıt hücresinde elde edilen elektrik devrede bağlı çark modülündeki çarkın çalıştırılmasında kullanılacaktır. Reosta modülünde bulunan direnç değerini modülün üstünde bulunan düğmeyi saat yönünün tersine çevirerek azaltabilirsiniz. Reostanın düğmesini çevirerek direnç değerini azaltınız ve çarkın döndüğünü gözlemleyiniz (S:133, Şekil 5.37). Bir önceki adımda herhangi bir akım değeri okunmamıştı.

Deneyin bu bölümünde devredeki çark modülü çıkartılarak yerine düz modül takılacaktır. Devreden geçen akım ve PEM yakıt hücresindeki voltaj değerleri okunarak PEM yakıt hücresinin verimi hesaplanacaktır. Deneyin bu bölümü için aşağıdaki işlemleri yapınız.

Devredeki reosta modülünün düğmesini kullanarak direnç değerini 250 ?’a ayarlayınız. Ampermetre sıfır değerini gösterecektir. Devreden çark modülünü çıkartınız ve yerine düz modülü takınız (S:134, Şekil 5.38).

Reosta modülündeki düğmeyi kullanarak voltmetredeki değeri yaklaşık 0,35 volt’a ayarlayınız (S:134, Şekil 5.39). Hidrojen gazı tankındaki alt bölmede su seviyesi yükselmeye başlayacaktır.

Hidrojen tankında bulunan su seviyesi 25 cm ³ ’e geldiğinde kronometreyi başlatınız. Zamanı ölçmeye başlayınız (S:134, Şekil 5.39). Diğer taraftan kronometreye bastığınız anla aynı anda ampermetre ve voltmetre’deki akım (I _i ) ve voltaj (V _i ) değerlerini kontrol ederek ilgili çizelgeye yazınız (S:135, Çizelge 5.2).

Hidrojen tankındaki su 10 cm³ seviyesine gelinceye kadar su seviyesinin yükselmesini bekleyiniz. Su seviyesi 10 cm³ çizgisine gelinceye kadar kronometre ile zamanı ölçmeye devam ediniz. Su seviyesi 10 cm ³ seviyesine geldiğinde kronometreyi durdurunuz. Ampermetreden akım değerini (I _s ), voltmetreden voltaj değerini (V _s ) ve kronometreden süreyi kontrol ederek değerleri ilgili çizelgeye yazınız (S:135, Çizelge 5.2).

Böylelikle deneyi tamamlamış oldunuz. Devreyi tekrar ilk durumuna geri getiriniz (S:118, Şekil 5.9).