- BilveTek

İçeriğe git

Ana menü:

Yakıt Hücreleri

Yakıt Hücresi Elemanları


PEM Tipi yakıt hücrelerinin elektrik üretebilmesi için iyonik iletken bir membran, anot reaksiyonu için katalizör tabakası, katot reaksiyonu için katalizör tabaka, anot ve katoda gazların homojen dağıtılabilmesi ve elektron transferine imkan verebilen gözenekli gaz difüzyon tabakası, anot ve katoda gazların beslendiği akış kanallarını içeren elektriksel iletkenliğe sahip çift kutuplu (bipolar) plaka, sızdırmazlık için conta ve akım toplamak için akım toplayıcı plaka gereklidir. Bu elemanların sağlaması gereken belli başlı özellikler vardır. Bu parçalardan bir araya getirilmiş olan anot, katot ve elektrolite özel bir ad verilmiş olup yaygın kullanılan ismiyle membran elektrot düzeneği (MEA) denilmektedir. Bazı araştırmacılar MEA yerine katalizör kaplı membran ismini kullanmakta olup, bazı kullanıcılar ise gaz difüzyon tabakasını da MEA
ya dahil etmektedirler. Yanlış anlamaları önlemek için birçok araştırmacı tabaka sayısını belirtip 3 katlı MEA veya 5 katlı MEA demektedirler. Bu çalışma boyunca MEA denildiğinde 3 tabakalı yani anot, katot ve membrandan oluşan yapı kastedilecektir.

Anot ve katotta kimyasal reaksiyonlar gerçekleşirken, membranda iyon transferi gerçekleşmektedir. Bu bölümde bu tabakalar kısaca açıklanacaktır. Anot, katot ve membrandan oluşan Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsünde hazırlanmış bir MEA
ya ait taramalı elektron mikroskobuyla çekilmiş kesit resmi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Membran

PEM tipi yakıt hücrelerinde yüksek iyonik iletkenliğe sahip, gaz geçişine izin vermeyen, elektriği iletmeyen, belli mekanik yüke dayanabilen, ısıl genleşmesi belli bir değerin altında kalan bir membran kullanılması gerekmektedir. Bu isteklere cevap verebilen en yaygın ticari ürün Nafyon olarak gözükmektedir. Hidrofob florlu bir polimer olan Teflon
a (PTFE) hidrofil sülfonik yan bağların eklenmesi ile elde edilmektedir. Nafyonun yapısı aşağıdaki şekilde görülmektedir.



PEM tipi yakıt hücrelerinde anot tarafında oluşan H + iyonu Nafyon membranın içerisinden geçerek katot tarafına ulaşmaktadır. Nafyonun içinde H + iyonunun hareketini sağlayan iki tip mekanizma vardır. Bunlar taşıma ve iletme (Grottus) mekanizmalarıdır. Taşıma mekanizmasında, H + iyonu suya (H 2O) yapışıp H 3O + iyonunu oluşturup Nafyonun yapısında bulunan su birikintilerinin içerisinden difüzyon yoluyla anot tarafından katot tarafına hareket etmektedir. Taşıma mekanizmasının çalışabilmesi için Nafyonun iyice nemlendirilmesi gerekmektedir. İletim (Grottus) mekanizmasında ise H + iyonu eksi yüklü sülfonik gruplarla (SO 3-) bağ yapıp, bir uçtan diğer uca geçmek suretiyle hareket etmektedir. Yakıt hücrelerinde en yüksek performansı elde edebilmek için genellikle 100% nemli gaz kullanılmalıdır.

Anot ve Katot (Katalizör) Tabakaları

PEM tipi yakıt hücrelerinin anot kısmında aşağıda belirtilen reaksiyon gerçekleşmektedir. Hidrojen gazının iyonlarına ve elektronlarına ayrıştığı bu reaksiyon çok kolaylıkla gerçekleşmekte olup (aktivasyon enerjisi çok düşük) iyi bir katalizör ile yüksek denge akım yoğunluğu elde edilebilmektedir. Katot tarafında ise yine aşağıda belirtilen reaksiyon gerçekleşmektedir. Katot reaksiyonu anot reaksiyonuna göre daha zor gerçekleşen bir reaksiyondur. Bunun için katot tarafında daha etkili katalizörler kullanılmalıdır.  Anot ve katot tarafında gerçekleşen reaksiyonların yaklaşık aynı hızda olması istenir. Bu durumda anot tarafında ya daha düşük aktiflikte bir katalizör kullanılır, genelde ucuz olur, ya da anottaki katalizör yükleme miktarı az tutulur. Böylece katot reaksiyonunun sınırlayıcı adım olması engellenir.



Anot ve katot katalizör tabakaları, destek malzemeleriyle beraber katalizör, Nafyon iyonomeri ve boşluklardan oluşmaktadır. Bu tabakalarda reaksiyonlar katalizörlerin yüzeyinde gerçekleşmektedir. Her iki tabakada da reaksiyonun gerçekleşebilmesi için iyon, elektron ve gazların katalizör yüzeyine ulaşması veya buradan uzaklaştırılması gerekmektedir. Anot tarafında H 2 gazı boşluklardan katalizör yüzeyine ulaşırken, reaksiyon sonucu açığa çıkan H + iyonu bu tabakada rastgele dağılmış olan Nafyon iyonomerinden Nafyon zarına doğru hareket etmekte olup, yine bu reaksiyon sonrası açığa çıkan elektron karbon destek malzemesinin üzerinden gaz difüzyon tabakasına ulaşmaktadır. Katot tarafında ise O 2 gazı boşluklardan, Nafyon zarından gelen H + iyonu katalizör tabakasında rastgele dağılmış Nafyon iyonomerinden, gaz difüzyon tabakasından gelen elektronlar ise karbon desteği üzerinden katalizör yüzeyine ulaşmaktadırlar. Bu bölgede oluşan su ise boşluklardan bu tabaka dışına atılmaktadır. Reaksiyonların gerçekleştiği hem gaz, hem iyon hem de elektron erişiminin sağlanabildiği bu bölgelere üçlü noktalar denilmektedir. İyon, elektron veya gaz erişiminin bir tanesinin bile sağlanamadığı noktada reaksiyon gerçekleşmez ve bu bölge o elektrotun ortalama gerilimini düşürmektedir. Katalizör tabakasının yapısı şematik olarak aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Katalizör tabakasından en yüksek verimi elde edebilmek için bu tabakanın hem gözenekli olması hem de iyonomer ve katalizörlerin homojen olarak dağıtılmış bir yapıda olması gerekmektedir. Katalizör tabakasının gözenekliliğini göstermek için taramalı elektron mikroskobuyla çekilmiş resim aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.


Gaz Difüzyon Tabakası (GDL)

Bu çalışmada gaz difüzyon tabakası MEA
nın içinde kabul edilmemiştir. PEM tipi yakıt hücrelerinde gaz difüzyon tabakalarından beklenen bazı özellikler bulunmaktadır. Bunlar;

  • Çift kutuplu plaka ile gelen gazı anot ve katot tabakalarına homojen olarak dağıtmak

  • Anot veya katotta kullanılan veya üretilen elektronların gerekli yerlere ulaşmasını sağlamak

  • Anot veya katotta oluşan ısının bu tabakalardan uzaklaştırılmasını sağlamak

  • Kalizör tabakasıyla çift kutuplu tabaka arasındaki temas direncini azaltmak

  • Sıkıştırma sırasında membranın çift kutuplu tabaka tarafından yırtılmasını veya membranın gaz akış kanallarının içine doğru esnemesini engellemek


Gaz, elektron, su ve ısı transferine izin verebilen bir yapıda olması gerektiğinden gözenekli, iletken (hem ısı hem de elektronik) ve hidrofob bir yapısı vardır. Bu özelliklere sahip karbon kağıdı ve karbon kumaşı olarak adlandırılan malzemeler mevcuttur. İki malzeme de karbon fiberlerden yapılmış olup birisinde karbon fiberler presle basılmakta olup diğerinde kumaş gibi dokunmaktadır.

Gaz difüzyon tabakasında temas direncini azaltmak ve yüzeyde oluşan suyun kılcallık etkisi sayesinde yüzeyden hızlıca uzaklaştırılmasını sağlamak için genellikle katalizör ile temas edecek yüzey mikrogözenekli olacak şekilde karbon ile kaplanır. Bu tabakanın hidrofobluğunu arttırmak için genellikle teflon ile bu kağıt modifiye edilmektedir. Ticari olarak satılmakta olan bir karbon kağıdına ait bir SEM resmi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Çift Kutuplu (Bipolar) Plakalar

Birden çok yakıt hücresinin seri olarak bağlanılması istenildiği durumlarda bir hücrenin anoduna ve diğer hücrenin katoduna farklı gazlar aynı plaka üzerinde beslenir. Bu durumda elektron transferi sırasında anot tabakasında üretilen elektron fazladan başka tabakalardan geçmeden en hızlı şekilde ve en az kayıpla bir sonraki hücrenin katoduna hareket edebilir. Bu plakalar bir hücrenin anoduyla aynı yükteyken diğer hücrenin katoduyla aynı yüktedir, yani bir hücreye bakan tarafı eksi yüklü kutupken diğer hücreye bakan tarafı o hücre için artı yüklü kutuptur. Bu sebeple bu plakalara çift kutuplu plakalar denilmektedir.
Çift kutuplu plakaların sahip olmaları gereken belli başlı özellikler mevcuttur. Bu özellikler ve nedeleri;

  • Yüksek elektriksel iletkenlik Hücreler arasında elektron transferi için

  • Düşük gaz geçirgenliği İki farklı gazın birbirinin olduğu tarafa geçmesi durumunda hem yakıt hem gerilim kaybı yaşanmaması için

  • Mekanik dayanıklılık Hücre dizini oluşturmada yapısal dayanıklılık sağlamak için

  • Hafiflik Portatif uygulamalarda hafiflik için

  • Yüksek ısıl iletkenlik Yakıt hücresinde oluşan ısının uzaklaştırılması için

  • İşlenebilirlik Yakıt hücresine beslenen gazların beslenmesi için kullanılan akış kanallarının işlenebilmesi için

  • Korozyona karşı dayanıklılık Yakıt hücrelerindeki asidik, hidrojen ve oksijen gazı bulunan ve farklı gerilimlerin oluştuğu ortama dayanbilmesi için


Bu özelliklere sahip belli başlı malzemeler öne çıkmaktadır. Bütün bu özellikleri sağlayan grafit polimer kompozit plakalar ve metalik plakalar konusunda pek çok araştırma yürütülmektedir. Metal plakaların yüzeyine farklı kaplamalar yapılarak korozyon ve temas direnci değerleri iyileştirilebilmektedir.

Conta

PEM tipi yakıt hücrelerinde;

  • Gazların istenilen bölgelerin dışına sızmasını engelleyebilen

  • Asidik ortamlara dayanabilen

  • 200 N/cm 2 sıkıştırma basıncına dayanabilen

  • Hidrojen ve oksijenle tepkimeye girmeyen

  • Erime ve kopmalara karşı dayanıklı olan

  • Katalizörleri zehirleyebilecek malzemeleri içermeyen


bir conta malzemesi kullanılmalıdır. Bu özellikleri silikon, teflon ve viton contalar büyük oranda sağlamaktadırlar.

Akım Toplayıcı Plakalar

PEM tipi yakıt hücrelerinde yakıt hücresi dizinlerinin başına ve sonuna yerleştirilen elektronik iletkenliği yüksek plakalara akım toplayıcı plakalar denilmektedir. Bu plakalar yakıt hücresi dizininin (-) ve (+) kutupları olmaktadırlar. Altın kaplı bakır plaka gibi elektriksel iletkenliği yüksek malzemeler bu amaçla kullanılırlar.

Kaynaklar:
Barbir, F., PEM Fuel Cells Theory and Practice. 2005: Elsevier Academic Press. 433.


 
İçeriğe dön | Ana menüye dön