- BilveTek

İçeriğe git

Ana menü:

Yakıt Hücreleri

Yakıt Hücreleri


Yakıt hücreleri yakıtlardaki kimyasal enerjiyi elektrokimyasal olarak elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. Yakıt hücreleri iyonik iletkenliğe sahip bir elektrolit ve farklı reaksiyonların gerçekleştiği anot ve katot
tan meydana gelmektedir. Yakıt hücreleri piller gibi elektrokimyasal bir hücredir; ancak pillerden bazı farkları vardır.  Yakıt hücrelerinin pillerden en önemli farkı sürekli olarak dışarıdan yakıt beslenilmesinin gerekliliğidir. Diğer bir deyişle dışarıdan yakıt beslenildiği takdirde sürekli olarak çalışabilen elektrokimyasal hücreye yakıt hücresi denir.

Geleceğin enerji sistemleri göz önüne alındığında yakıt hücreleri günümüzde ticarileşme arifesinde olan çok önemli bir alternatiftir.  Özellikle portatif enerji sistemleri olarak kullanıldığı takdirde yakıt hücrelerinin birçok avantajları vardır. Bu enerji sistemleri genellikle pillere ve içten yanmalı motorlara alternatif olarak düşünülmektedir. Yakıt hücresi sistemlerinde pillere göre daha yüksek enerji yoğunluğu elde edilirken yakıt beslendiği takdirde sürekli çalışabildiğinden şarj olma veya bitmesi gibi sorunları yoktur.

Yakıt Hücrelerinin Çalışma Prensibi

Yakıt hücreleri anot, katot ve elektrolitten meydana gelmektedir. Anot ve katotta gerçekleşen reaksiyonlar sonucu bu bölgelerde gerilim oluşur. Reaksiyonlar sonucu ayrıca anotta ve katotta iyon ve elektron oluşur. Oluşan elektron iletken bir hattan, iyon ise iyon geçirgen elektrolitten diğer elektrota hareket eder. Elektronların hareket etmesi akımı oluşturur. Elektrotlar arası gerilim farkı ve akım ise o sistemin üretebileceği gücü oluşturur. Yakıt hücresinde bu reaksiyonların sürekli olması için yakıt hücresine sürekli olarak reaksiyona giren maddeler gönderilmelidir ve reaksiyon ürünleri ortamdan uzaklaştırılmalıdır.

Yakıt Hücrelerinin Çeşitleri

Günümüzde pek çok çeşit yakıt hücresi türü mevcuttur. Bu yakıt hücresi türlerinin farklı kullanım alanları, çalışma koşulları ve yakıtları vardır. Yakıt hücreleri genellikle elektrolitlerine veya kullandıkları yakıta göre isimlendirilirler. Belli başlı yakıt hücreleri türleri;

  • Proton Geçirgen Membranlı Yakıt Hücreleri (PEM)

  • Alkali (Bazik) Yakıt Hücreleri (AFC)

  • Fosforik Asit Yakıt Hücreleri (PAFC)

  • Eriyik Karbonat Yakıt Hücreleri (MCFC)

  • Katı Oksit Yakıt Hücreleri (SOFC)

  • Doğrudan Alkol (Metanol, Etanol, Formik Asit) Yakıt Hücreleri (DMFC, DEFC, DFAFC)

  • Doğrudan Bor Hidrür Yakıt Hücresi (DBFC)

  • Doğrudan Kömür Yakıt Hücreleri (DCFC)

  • Doğrudan Glikoz Yakıt Hücreleri (DGFC)


Burada belirtilen yakıt hücrelerinin dışında deneme aşamasında, çok yaygınlaşmamış başka yakıt hücresi türleri de mevcuttur. Bu yakıt hücrelerinden bazıları düşük sıcaklıklarda çalışabilirken, bazıları yüksek sıcaklıkta çalışabilmektedirler; bazıları hidrojenle çalışabilirken, bazıları karbonmonoksitle, bazıları alkolle, bazıları kömürle, bazıları borhidrürle, bazıları glikozla çalışabilmektedirler. Bazıları katı iken bazıları sıvı içerisine daldırılmış elektrotlar şeklindedir. Tüm bu faklılıklar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.

Yakıt Hücresi Türleri

Elektrolit

Mobil İyon

Çalışma Sıcaklığı

Güç Aralığı

Yakıt

Verim

Proton Geçirgen Membran (PEM)     

Nafyon

H+

20-100 °C

1W-200kW

H2

35-50%

Alkali (AFC)    

Bazik Solüsyon (NaOH, KOH)

OH-

50-100 °C

1W-250kW

H2

35-50%

Fosforik Asit (PAFC)      

Fosforik Asit (H3PO4)

H+

190-220 °C

10W-1MW

H2

35-50%

Eriyik Karbonat (MCFC)

Eriyik Alkali Karbonat (Li2CO3, K2CO3)

CO3 -2

600-650 °C

200 kW - 10 MW

H2, CO

45-60%

Katı Oksit (SOFC)

Seramik (YSZ, CeO2)

O -2

500-1000 °C

1W - 250 kW

H2, CO, CH4

45-60%

Doğrudan Alkol (Metanol, Etanol, Formik Asit) (DMFC, DEFC, DAFC)

Nafyon

H+

50-100 °C

<1W - 250W

CH3OH, C2H5OH, HCOOH

25-40%

Doğrudan Bor Hidrür (DBFC)

Bazik Solüsyon, Anyon Veya Katyon Geçirgen Zar

OH-

20-100 °C

1 W - 200 W

BH-

35-50%

Anyon Geçirgen Membran (AEMFC)

PFSA

OH-

20-100 °C

1 W -1 kW

H2

25-40%

Doğrudan Kömür (DCFC)

Eriyik hidroksitler, Eriyik karbonat, YSZ tabanlı elektrolitler

O-2

400-800

>1 kW

C

80 %

Doğrudan Glikoz (DGFC)

Hidrojel

H+

10-50°C

1-20µW

C6H12O6

Çok Düşük

Yakıt hücresi türlerinin birbirine göre avantajları, dezavantajları ve farklı uygulama alanları mevcuttur. Bu farklılıklar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.


Yakıt Hücresi Türleri   

Avantajları

Dezavantajları

Uygulama Alanları

Proton Geçirgen Membran (PEM)

  • Düşük sıcaklık

  • Yüksek enerji yoğunluğu, hafif

  • Hızlı ilk çalışma

  • Katı Elektrolit

  • Çok saf H 2 (99,99%)

  • Pahalı katalizör

  • Portatif Sistemler

  • Jeneratör

  • Askeri Sistemler

Alkali (AFC)

  • Katottaki aktivasyon kaybı düşük

  • Sıvı elektrolit, yüksek temas

  • Çok saf H 2

  • Pahalı katalizör

  • Uzay Araçları

Fosforik Asit (PAFC)

  • Saflığı düşük hidrojen kullanılabilir

  • Sıvı elektrolit, yüksek temas

  • Pahalı katalizör

  • Düşük Enerji yoğunluğu

  • Elektrik Santralleri

  • Orta Ölçekli İşletmeler için Isı ve Elektrik

Eriyik Karbonat (MCFC)

  • Yüksek verim

  • Yakıt çeşitliliği

  • Ucuz katalizör

  • Sıvı elektrolit, yüksek temas

  • Yüksek sıcaklık

  • Korozyon

  • Elektrik Santralleri

Katı Oksit (SOFC)

  • Yüksek verim

  • Yakıt çeşitliliği

  • Ucuz katalizör

  • Katı Elektrolit

  • Yüksek sıcaklık

  • Korozyon

  • Hücre üretimi zor ve pahalı

  • Uzun ilk çalışma süresi

  • Elektrik Santralleri

  • Orta Ölçekli İşletmeler için Isı ve elektrik

  • Portatif Sistemler

Doğrudan Alkol (Metanol, Etanol, Formik Asit) (DMFC, DEFC, DAFC)

  • Ucuz yakıt

  • Kolay depolanan sıvı yakıt

  • Düşük verim

  • Metanol zehirli bir yakıttır

  • Portatif Sistemler

Doğrudan Bor Hidrür (DBFC)

  • Alternatif yakıt

  • Yüksek açık uç gerilimi

  • Yakıtın elde edilmesi zor

  • Deneme aşamasında

Anyon Geçirgen Membran (AEMFC)

  • Yüksek katalitik aktivite

  • Ucuz katalizör

  • pH nötre yakın yani korozyona dayanıklı

  • Düşük iyonik iletkenlik

  • Deneysel aşamada

Doğrudan Kömür (DCFC)

  • Ucuz yakıt

  • Yüksek Verim

  • Düşük CO 2  emisyonu

  • Geniş yakıt kaynakları

  • Yüksek Sıcaklık

  • Korozyon

  • Küçük boyutta üretim

  • Kullanılan yakıta bağlı olarak egzoz gazı filtrelenmesi

  • Elektrik Santralleri

Doğrudan Glikoz (DGFC)

  • Yakıt vücutta bol miktarda bulunmakta

  • Glikozdan bakterisiz olarak akım üretimi

  • Düşük güç yoğunluğu

  • Kalp pili, İlaç Pompası, Sensör

Yakıtlardaki Hidrojen Oranı ve Hidrojenin Önemi

Fosil yakıtlar sahip oldukları enerji göz önünde bulundurularak kıyaslandırılmak istendiğinde bu yakıtların içindeki C:H oranı bu sıralamaya çok büyük ışık tutmaktadır. İnsanlar zaman içerisinde enerji değeri düşük yakıtlar yerine enerji değeri daha yüksek yakıtlar kullanmışlardır. Odundaki C:H oranı 10:1 iken kömürde bu oran 2:1 seviyesindedir.  Petrolde bu oran yaklaşık 1:2 iken doğalgazda ise bu oran 1:4 seviyesine yükselmiştir. Bu durum insanların kullandığı yakıtlardaki hidrojen oranının her geçen gün arttığını gözler önüne sermektedir. Ayrıca yakıtlardaki karbon oranının düşmesi yakıtların yanması sonucu ortaya çıkan ve küresel ısınmaya yol açan CO 2 emisyonunun da azalmasını sağlamaktadır.

Hidrojen atom numarası 1 olan doğadaki en küçük elementtir. Bu elementin diğer elementlerle yapmış olduğu kimyasal bağların kırılması sonucu açığa çok yüksek miktarda enerji çıkabilmektedir. Bu bağların kırılması genellikle aktivasyon enerjisi düşük, ekzotermik bir reaksiyondur.

Yakıt Hücrelerinin Ticarileşememesinin Başlıca Nedenleri

Bilim dünyası yakıt hücreleri kavramı ile ilk olarak 1839 yılında tanışmış olmasına rağmen yakıt hücreleri henüz ticarileşmiş bir teknoloji değildir. Yakıt hücrelerinin bugüne kadar ticarileşememesinin birçok sebebi vardır. İlk zamanlarda böyle bir teknolojiye ihtiyaç olmadığından uzun bir süre bu konu bir kenara itilmiştir. Doğada hazır halde hidrojen bulunmaması yakıt hücrelerinin bugünlere kadar çok hızlı gelişmemesinin başlıca sebebidir. Daha sonra benzin fiyatlarındaki artış ve küresel ısınma sorunları sonrasında yakıt hücreleri tekrar düşünülmeye başlandı. Bu gelişmeler ışığında 1990
lı yılların başlarında yakıt hücreleri ticarileşmeye çok yakın görülüyordu. Los Alamos Laboratuarında ve Ballard Power şirketinde yapılan uzun süreli çalıştırma testlerinin sonucunda performansta çok az bir düşüş görülmekteydi. O yıllarda bu deneylere güvenerek hazırlanan prototip ürünlerde özellikle dayanıklılık açısından bir çok sorun baş gösterdi. Yakıt hücrelerinin performansı çok kısa bir süre sonra düşmeye başlıyordu. Yakıt hücrelerinin dayanıklılığı hakkındaki bu yanlış görüşün dayanağı olan uzun süreli testler hep sabit gerilim altında, sürekli olarak ve maksimum güce yakın noktalarda gerçekleştirilmişti. Ancak bu koşullar gerçek hayattaki koşullardan çok farklıydı. Gerçek hayattaki uygulamalarında yakıt hücreleri sürekli olarak çalışmıyordu, maksimum güce sadece gerektiğinde çıkılıyordu ve kullanılan güç miktarı sürekli değişiyordu.

Gerçek kullanım şartları beraberinde yepyeni sorunları getirdi. Yakıt hücresinin açık hat geriliminde daha çabuk korozyona uğradığı deneylerle kanıtlandı. Ayrıca açıp kapatma sırasında anot ve katot bölmelerine gazların ilk verildiği anda çok büyük korozyon gerçekleştiği gözlemlendi. Bunun gibi sorunlar üzerinde yeterince çalışılmadan hazırlanan prototiplerde performans düşüşü kaçınılmaz oldu. Bugün bu sorunların birçoğuna çözüm getirilmiş olup birçok yeni dayanıklılık testi geliştirilmiştir. Yakıt hücrelerinin bugün çok az da olsa ticari uygulamaları mevcuttur. Almanya
nın Brunnthal şehrindeki Smart Fuel Cell şirketi özürlü araçları ve yatlar için geliştirdiği 50Wlık Doğrudan Metanol Yakıt Hücresi yardımcı enerji kaynağı ürünü ile 2006 yılındaki 7 milyon €luk cirosunu 2007 yılında 14 milyon €ya çıkarmıştır. Bunun gibi Amerikanın Washington eyaletinin Spokane şehrindeki ReliOn şirketinin geliştirmiş olduğu yedek güç kaynağı olarak kullanılan birkaç kilowatlık PEM tipi yakıt hücreleri de yeni gerçekçi test metotlarıyla test ediliyor.

PEM tipi yakıt hücrelerinin daha yaygın olarak ticarileşebilmesi için üç konuda gelişmesi gerekmektedir. Bu konular performans, dayanıklılık ve maliyet. PEM tipi yakıt hücrelerinin ticarileşebilmeleri için maliyetlerinin en azından içten yanmalı motorlu sistemlerle aynı seviyeye gelmesi gereklidir. ABD Enerji bakanlığının 2015 yılına kadar yakalanması gerekli olarak gösterdiği hedef içten yanmalı motorlu sistemlerin günümüzdeki maliyeti olan 30$/kW
dır. PEM tipi yakıt hücresi sistemlerinde 2005 yılından itibaren yaşanan maliyet düşüşü ve hedefler aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Bu analiz 80kWlık 500,000 sistemin hazırlanması durumu göz önünde bulundurularak hazırlanmış bir modeldir.

PEM Tipi Yakıt Hücresi Maliyet Analizi

PEM tipi yakıt hücresi sistemlerinde kullanılan malzemelerin birçoğu şuan için pahalı olmasına rağmen maliyetlerinin seri üretime geçilmesi durumunda azalacağı öngörülmektedir. PEM tipi yakıt hücrelerinde seri üretime geçilse bile katalizör malzemesi olarak genellikle nadir bulunan metaller, yaygın olarak da platin, kullanıldığından bu malzemelerin maliyetinin azalması düşünülmemektedir. Seri üretime yönelik araştırmalarda PEM tipi yakıt hücresi sistemlerinde kullanılan yakıt hücresi dizinlerinin maliyetinin yarısından fazlasının katalizör tabakası olacağı öngörülmektedir. PEM tipi yakıt hücresine ait sistem elemanlarının maliyet analizi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Kaynaklar:
Barbir, F., PEM Fuel Cells Theory and Practice. 2005: Elsevier Academic Press. 433.
Busby, R.L., Hydrogen and Fuel Cells A Comprehensive Guide. 1st ed, ed. S. Hill. 2005, Tulsa: PennWell Corporation.
Gottesfeld, S., Foreword, in Polymer Electrolyte Fuel Cell Durability, F.N. Büchi, M. Inaba, and T.J. Schmidt, Editors. 2009, Springer Science + Business Media LLC. p. v-viii.
Borup, R., et al., Scientific Aspects of Polymer Electrolyte Fuel Cell Durability and Degradation. Chemical Reviews, 2007. 107(10): p. 3904-3951.
Papageorgopoulos, D., Fuel Cells Sub-Program Overview. 2009, Department of Energy, USA. p. 909 - 917.

Sinha, J., S. Lasher, and Y. Yang, Direct Hydrogen PEMFC Manufacturing Cost Estimation for Automotive Applications, in DOE Annual Merit Review. 2009: Arlington, VA, USA.

 
İçeriğe dön | Ana menüye dön