su üstü savaş gemisinde nato f-76 dizel yakıtlı katı oksitli yakıt pili sistemi tasarımı ve analizi

383 Pages·2009·5.85 MB·Turkish

EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

(DOKTORA TEZİ)

SU ÜSTÜ SAVAŞ GEMİSİNDE
NATO F-76 DİZEL YAKITLI
KATI OKSİTLİ YAKIT PİLİ SİSTEMİ
TASARIMI VE ANALİZİ

Cüneyt EZGİ

Makina Mühendisliği Anabilim Dalı

Bilim Dalı Kodu: 625.05.00.

Sunuş Tarihi : 07.09.2009

Tez Danışmanı : Yrd.Doç.Dr. M. Turhan ÇOBAN

Bornova- İZMİR
II
III
DOKTORA TEZ SAVUNMA SINAVI JÜRİ TUTANAĞI

Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği
Anabilim Dalı’nda Yrd.Doç.Dr. M. Turhan ÇOBAN danışmanlığında
Cüneyt EZGİ tarafından hazırlanan “Su Üstü Savaş Gemisinde NATO
F-76 Dizel Yakıtlı Katı Oksitli Yakıt Pili Sistemi Tasarımı ve
Analizi” adlı doktora tezini değerlendirmek ve adayı tez savunmasına
tabi tutmak üzere, Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nca
oluşturulan jüri 07/09/2009 tarihinde saat 10.00’da Makina Mühendisliği
Anabilim Dalı’nda Yrd.Doç.Dr. M. Turhan ÇOBAN Başkanlığında
toplanmıştır.

Jüri üyeleri tarafından hazırlanan ve ekte sunulan raporlar ayrıntılı
şekilde tartışılmış ve aday tez savunma sınavına alınmıştır. Sonuçta tez
oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunarak kabul edilmiştir/ başarısız
bulunarak red edilmiştir/ düzeltme yapılmasına karar verilmiştir.

Jüri Başkanı

Yrd.Doç.Dr. M. Turhan ÇOBAN

Üye Üye

Prof.Dr. Necdet ÖZBALTA Doç.Dr. Dilek KUMLUTAŞ

Üye Üye

Doç.Dr. Hayati OLGUN Yrd.Doç.Dr. Uğur ŞİMŞİR
IV
V
ÖZET

SU ÜSTÜ SAVAŞ GEMİSİNDE
NATO F-76 DİZEL YAKITLI
KATI OKSİTLİ YAKIT PİLİ SİSTEMİ
TASARIMI VE ANALİZİ

EZGİ, Cüneyt

Doktora Tezi, Makina Mühendisliği Bölümü

Tez Yöneticisi: Yrd.Doç.Dr. M. Turhan ÇOBAN

Eylül 2009, 383 sayfa

Katı oksitli yakıt pilleri, yüksek sıcaklıklarda çalışan seramik tipte
yakıt pilleridir. Yakıt pilleri, su üstü gemilerde elektrik gücü üretimi için
büyük bir potansiyel sağlar. Günümüzde savaş gemileri, F-76 deniz dizel
yakıtını kullanmaktadır. Bu çalışmada, bir su üstü savaş gemisinde 120 kW
güçte bir yardımcı makina olarak F-76 dizel yakıtlı katı oksitli yakıt pili sistemi
tasarlanmış ve termodinamik analizi yapılmıştır. Analizde gerçek gazlara ait
termodinamik özelikler, Java programı kullanılarak hesaplanmıştır. Yakıt pili
sistemi, dizel-elektrik jeneratör grubu ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, sistemin
diğer bileşenleri ile ısı değiştiricilerin tasarımları yapılmıştır.

Bu çalışmada, NATO F-76 dizel yakıtlı katı oksitli yakıt pili
sisteminde kullanılan ototermal reaktörün kimyasal kinetik modellemeye
dayalı optimizasyonu yapılmıştır. Termodinamik hesaplamalar, model
yakıt olarak n-tetradecane (C H ) kullanılarak, ticari hesaplama aracı
14 30
VI
Comsol Reaction Engineering Lab. programı ile yapılmıştır. Çalışmada iki tip
reaktör modeli seçilmiştir. Sabit hacimli sürekli karıştırmalı tank reaktörü
(CSTR) ve boru tipi reaktör (PFR). Gaz fazındaki reaktant akışkanlar, ideal
gaz kabul edilmiştir.

NATO F-76 dizel yakıtının dönüştürülmesi ile elde edilen hidrojence
zengin gaz ile çalışan üç boyutlu izotermal bir SOFC modeli geliştirilmiştir.
Modelde, elektrokimyasal ve kimyasal reaksiyonlara bağlı momentum, kütle ve
yük taşınımı kabul edilmiştir. Model, sonlu elemanlar metoduna dayalı kısmi
diferansiyel denklem çözücüsü COMSOL 3.5’da uygulanmıştır. Model
sonuçları, literatürden alınan deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.

Anahtar kelimeler: Yakıt pilleri, Katı oksitli yakıt pili sistemi, Dizel yakıtlar,
Termodinamik analiz, Yakıt dönüştürücü, Modelleme
VII
ABSTRACT

DESIGN AND ANALYSIS OF
SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM
ONBOARD SURFACE WARSHIP

EZGİ, Cüneyt

Doctoral Thesis in Mechanical Engineering

Supervisor: Yrd.Doç.Dr. M. Turhan ÇOBAN

September 2009, 383 pages

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are a ceramic type of fuel cell
operating at elevated temperatures. Fuel cells provide great potential for
electric power generation on-board surface ships. Today naval ships use
NATO F-76 marine diesel fuel. In this study, A 120 kW F-76 diesel-
fueled solid oxide fuel cell system (SOFC) as an auxiliary engine on-
board a naval surface ship was designed and thermodynamically
analyzed. In analysis, thermodynamic properties of real gases were
calculated with using Java program. Fuel cell system was compared to
diesel- electric generator set in a case surface warship. In addition, other
components of system and heat exchangers were designed.

In this study, Autothermal reformer (ATR) in NATO F-76 diesel
fuelled solid oxide fuel cell system was optimized based on chemical
kinetic modeling. ATR is the core of the fuel processing system.Our
analysis determined reactor or catalyst volume based on chemical kinetic
modeling of NATO F-76 for naval fuel cells. The thermodynamic
calculations were made with a commercial calculation tool (Comsol
VIII
Reaction Engineering Lab.) using n-tetradecane (C H ) as model fuel
14 30
and an enhanced set of considered species and thermodynamic data. In
this study, reactor type are the Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)
with constant volume and Plug-flow reactor (PFR). Reacting fluids in the
gas phase are assumed to behave as ideal gases.

A three-dimensional isothermal model of an SOFC operating with
reformed NATO F-76 diesel fuel was developed. Momentum, mass and
charge transport coupled with electrochemical and chemical reactions
were considered. The model was implemented in COMSOL 3.5, a partial
differential equation solver based on a finite element method. Results of
model compared to experimental results obtained from literature.

Keywords: Fuel cells, Solid oxide fuel cell system, Diesel fuels,
Reformer, Thermodynamic analysis, Modelling
IX

TEŞEKKÜR

Bu çalışma süresince; mensubu olmaktan gurur ve onur duyduğum
Deniz Kuvvetleri Komutanlığına, yardımlarını esirgemeyen tez
danışmanım Sayın Yrd.Doç.Dr. M. Turhan ÇOBAN’a, tez değerlendirme
jürisine katılarak katkıda bulunan, Sayın Prof.Dr. Necdet ÖZBALTA,
Sayın Doç.Dr. Dilek KUMLUTAŞ, Doç.Dr. Hayati OLGUN,
Yrd.Doç.Dr. Uğur ŞİMŞİR’e, çalışmalarım süresince yardımlarını hiç
eksik etmeyen arkadaşım Mak.Y.Müh. Özer ÖĞÜÇLÜ’ye, her zaman
bana destek veren eşim Mak.Müh. Azize EZGİ’ye, sonsuz sabır gösteren
çocuklarım Cüneyt Mert ve Zeynep Beste’ye teşekkür ederim.
Emeklerini ve desteklerini tüm yaşamımda hissettiğim ve hissedeceğim;
anneme, babama ve kardeşlerime de derin sevgi ve şükranlarımla…
X