PEM tipi yakıt hücrelerinden teorik olarak 1,23V’luk gerilim elde edilebilecekken gerçekte bu değerin çok altında bir gerilim değeri elde edilmektedir. Gerilim değerinin düşmesinde etkili olan kayıpları sıralamak gerekirse;
- Aktivasyon Kaybı
- Direnç Kaybı
- Kütle Transferi Kaybı
- Yakıt Sızıntısı ve İç Akım Kaybı
PEM tipi yakıt hücrelerinde yakıt hücresinden akım çekildiğinde yakıt hücresindeki kayıplar artmaktadır. Yakıt hücresinden çekilen akım ile anotla katot arasındaki gerilim farkı arasındaki ilişki aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
Aktivasyon Kayıpları
Yakıt hücrelerinin anot ve katodunda gerçekleşen reaksiyonların gerçekleşebilmesi için bir aktivasyon bariyerinin aşılması gereklidir. Bu aktivasyon bariyerini aşabilmek için bu elektrotlarda nano boyutta iyice dağıtılmış katalizörler kullanılmaktadır. Reaksiyonlar bu katalizörlerin yüzeyinde gerçekleşmektedir. Bu katalizörlerden bazıları üzerlerinde reaksiyonun gerçekleşmesine imkân verirken bazıları reaksiyon için gerekli aktivasyon enerjisini sağlayamamaktadırlar. PEM tipi yakıt hücresindeki toplam aktivasyon kaybı aşağıdaki denkleme göre hesaplanabilmektedir.
Burada i0 – denge akım yoğunluğu, R – ideal gaz sabiti, T – sıcaklık, α – yük transfer katsayısı, n e – Transfer olan elektron sayısı, F – Faraday sabiti ve i – elde edilen akım yoğunluğu’dur. Denge akım yoğunluğu yakıt hücresinden hiç akım çekilmediği zaman yani reaksiyonlar dengedeyken oluşan ileri ve geri yöndeki akım yoğunluğudur. Bu değeri ne kadar yüksekse yakıt hücresindeki aktivasyon kaybı o kadar düşük olur. Yük transfer katsayısı ise reaksiyonun ileri yöndeki hızıyla geri yöndeki hızının oranıdır. Günümüzde kullanılan katalizör malzemelerinde bu oran 0,5 civarındadır. Denge akım yoğunluğu ve yük transfer katsayısı anot ve katot yarı reaksiyonları için değişebilmektedir. Anottaki denge akım yoğunluğu (i 0a) ile yük transfer katsayısı (αa) ve katottaki denge akım yoğunluğu (i 0k) ile yük transfer katsayısı (αk)kullanılarak toplam denge akım yoğunluğu (i 0) ve yük transfer katsayısı (α) hesaplanmaktadır.
Yakıt hücrelerinde aktivasyon kaybını her bir tanecikte reaksiyon olup olmaması belirlemektedir. Reaksiyon gerçekleşen noktada noktasal olarak teorik gerilim değeri elde edilirken reaksiyon olmayan noktalarda da hiç gerilim elde edilememektedir. Bu durumda reaksiyon olan ve olmayan noktaların ortalaması sonrası hesaplanan gerilim aktivasyon kaybı sonrası gerilim değerini ifade etmektedir. Şematik olarak elektrottaki reaksiyon olan ve olmayan noktaların dağılımı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Direnç Kayıpları
PEM tipi yakıt hücrelerinde hareketli yüklü parçacıkların yolları esnasında karşılaştıkları dirençler yüzünden oluşan kayıplara direnç kayıpları denilmektedir. İki çeşit yüklü parçacık vardır, hidrojen iyonu ve elektron. Hidrojen iyonunun katalizör tabakaları ve membranda hareketi sırasında karşılaştığı direnç ve elektronların katalizör tabakası, gaz difüzyon tabakası, çift kutuplu tabakada, akım toplayıcı plakada ve bunlar arasındaki temas bölgelerinde karşılaşmış olduğu direnç bir yakıt hücresinin toplam direncini oluşturmaktadır. Dirençler yüzünden yakıt hücresinde gerçekleşen gerilim kaybı akımla beraber doğru orantılı ve lineer olarak artmaktadır. Toplam direncin en büyük kısmı yakıt hücresinin parçaları arasındaki temas noktalarında gerçekleşmektedir.
Kütle Transferi Kayıpları
PEM tipi yakıt hücrelerinde elektrotlardaki reaksiyonlar sonrasında açığa çıkan ürünlerin yeni reaksiyona girecek ürünleri engellemesi veya bazı bölgelere yeterli reaksiyona girecek gaz gelmemesi sonucu oluşan kayıplara kütle transferi (konsantrasyon) kaybı denilmektedir. Bu kayıplar yakıt hücresinden çekilebilecek maksimum akım değerinin belirlenmesini sağlar. Yakıt hücresinden çekilebilecek maksimum akım değerine limit akım (i l) denilmektedir. Yakıt hücrelerindeki kütle transferi sorunundan dolayı gerçekleşen gerilim kaybı aşağıdaki denklem ile hesaplanabilmektedir.
Yakıt Sızıntısı ve İç Akım Kaybı
PEM tipi yakıt hücrelerinde iyonik iletkenliğe sahip elektrolitin, yakıt hücresinin anot ve katot taraflarına gelen gazlar ile burada oluşan veya gelen elektronların diğer tarafa geçmesine izin vermemesi gerekmektedir. Şu an kullanılmakta olan polimer elektrolitler genel olarak bunu sağlasalar bile çok az bir miktarda gaz geçişi ve elektronik iletkenik görülmektedir. Genellikle anot tarafına gelen hidrojen gazının katot tarafına doğru sızdığı görülmektedir. Bu durumda hem yakıt kullanılmamış olmaktadır hem de katot tarafına geçen hidrojen oradaki oksijen ile reaksiyona girip orda bir noktada düşük gerilim oluşmasına sebep olup katot tarafının ortalama gerilimini düşürmektedir. Geçen yakıt miktarı kadar elektron da membrandan geçmektedir. Yakıt hücresinden dışarı çıkamayan bu akım değerine ise iç akım (i ç) denilmektedir. Yakıt sızıntısı ve iç akım yüzünden yakıt hücresinde oluşabilecek gerilim kaybı beraber ifade edilmektedir ve aktivasyon kaybı teriminin içindeki akım ifadesinin yakıt hücresinden dışarı çıkan akım ve iç akım olarak ifade edilmesi sonucunda hesaplanabilir. Aktivasyon, yakıt sızıntısı ve iç akım sonucu oluşacak gerilim kaybı aşağıdaki denklem ile gösterilmektedir.
Kayıplar Sonrası Gerilim Hesabı
Yakıt hücresindeki tüm gerilim kayıpları göz önünde bulundurulduktan sonra yakıt hücresinde oluşan gerilimi hesaplamak için aşağıdaki denklem kullanılabilir. Örnek bir sistemdeki gerilim kayıpları aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.
| Gerilim Türü | Gerilim Değeri (V) |
| Termonötr Gerilim | 1,482 |
| Teorik Açık Hat Gerilimi | 1,208 |
| Pratik Açık Hat Gerilimi | 0,998 |
| Aktivasyon Kaybı | – |
| Direnç Kaybı | – |
| Kütle Transferi Kaybı | – |
| Yakıt Sızıntısı ve İç Akım Kaybı | – |
| Hücre Gerilimi | 0,667 |
Burada pratik açık hat geriliminin teorik gerilimden çok düşük olmasının nedeni yakıt sızıntısı ve iç akım miktarının sistemden hiç akım çekilmediği durumda gerilimi çok fazla düşürmesidir. Sistemden akım çekilmeye başlayınca yakıtlar kullanıldığından bu kaybın etkisi çok azalmaktadır.
Kaynaklar:
Barbir, F., PEM Fuel Cells Theory and Practice. 2005: Elsevier Academic Press. 433.