Yakıt Pili Nedir?

[COLOR="#0000CD"]Yakıt Pili Nedir?
Hidrojen elektrik üretmek için bir elektrokimyasal reaksiyon içinde yanma olmadan oksijenle birleştirilebilir Bu reaksiyonun oluştuğu yer elektrokimyasal yakıt hücresi veya sadece yakıt hücresi olarak adlandırılırYakıt pilleri temiz,sessiz,hareketli parça içermeyen ve yüksek verimli,doğalgaz veya diğer hidrojen içeren gazlardan elektrik ve ısı enerjisi üretim teknolojisidirDiğer enerji üretim teknolojilerinden çok farklı olarak yakıt pili,yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan kullanılabilir elektrik ve ısı enerjisine dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdırYakıt pilinde doğrudan birincil enerji kaynağı olarak,hidrojen kullanılabileceği gibi,dönüştürme yapıldığı takdirde, doğalgaz,LPG,metanol,nafta veya benzin gibi hidrojen içeren yakıtlar da kullanılabilmektedir
Yakıt pilinde gerçekleşen dönüşüm pil ya da akümülatördeki dönüşüm ile benzerdirYakıt pili ile bunlar arasındaki temel farklılık ise,yakıt pillerinin enerji dönüşümünü yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece gerçekleştirebilmesidirDiğerlerinde ise bu dönüşüm içlerinde depolanmış enerji ile sınırlıdır
Yakıt pili 3 temel kısımdan meydana gelirAnot(negatif elektrot),katot(pozitif elektrot) ve bu iki elektrot arasında kalan elektrolit(değişim zarı)



Yakıt Pilleri Nasıl Çalışır?
Hidrojen anot elektrota,oksijen ise katot elektrota gönderilirAnot elektrota gönderilen hidrojen molekülü ,anot üzerinde yer alan kanalcıklardan geçerken elektron bu molekülden ayrılır ve molekül iyon yapıya dönüşür



Elektron geçişine izin vermeyen elektrolit yalnızca hidrojen iyonunun geçişine ve katot elektrota ulaşmasına izin verirElektron ise harici bir devreden katoda iletilirKatotta buraya gönderilen O2 elektrolit üzerinde gelen hidrojen iyon ve dış devreden gelen elektron reaksiyona girerek çevrim tamamlanırAçığa ise emisyon olarak saf su çıkarDış devre üzerindeki elektron hareketi ise elektrik akımını oluştururBu akım direkt(DC) bir akımdırReaksiyon sonucu ayrıca ısı enerjisi de elde edilirYakıt pillerinde reaksiyon hızını arttırmak için katalizör kullanımı da söz konusudur



Yakıt pilinde anot,katot ve elektrolitten oluşan her bir birime “Membran Elektrot Grubu” (MEA)denirHer bir MEA’den sağlanan elektriksel gerilim değeri 12 volt seviyelerinde iken bu değer gerçek değer olarak 1 voltun altına düşerYüksek gerilim elde etmek için ise her bir MEA seri olarak bağlanır ve istenilen gerilim düzeyine ulaşılırBu sisteme Yakıt Pili Ünitesi adı verilir Daha yüksek akım elde etmek içinse temelde yüksek akımlara ulaşmak için reaksiyona giren molekül sayısını arttırmak gereklidirBu ise anot,katot ve elektrolit yüzeylerinin arttırılması ile sağlanır
Isı makinelerinin verimini belirleyen Carnot verimi,yakıt pillerini sınırlamazCarnot verim ifadesinde; Verim:[(1-(T1/T2)]
T1 atık ısı sıcaklığı ve T2 maksimum çalışma sıcaklığı olup bu sıcaklık arttıkça verim artarAncak bu sıcaklık malzeme dayanım limitleri ile sınırlıdır
Yakıt pillerinde ise, Verim: Hidrojen alt yada üst ısıl değeri/Reaksiyonun Gibbs serbest enerjisi’dir
Hidrojen için bu teorik verim değeri üst ısıl değer için %83 alt ısıl değer içinse %98 civarındadır Teorik hidrojen yakıt pili teorik hücre gerilimi ise 1229 voltturGerçekte ise bu gerilim,kayıplar nedeniyle 1 voltun altına düşmektedirDolayısıyla gerçek verimde teorik verimin altında olmaktadır
Yakıt pilinin verimi yüksek olduğu kadar enerji yoğunluğu da yüksektir2 MW’lık bir güç istasyonu 20 m²’den daha az bir alana kurulabilirBu durumda elektriğin tüketicilerin bulunduğu kentlerden uzakta üretilmesine gerek kalmamaktadırBöylece santrallerden kullanıcılara kadar uzanan binlerce kilometrelik iletim hatlarına,aradaki transformatörlere de gerek kalmamaktadır Ayrıca iletim hatlarında ortaya çıkan elektrik kayıpları da engellenmektedir



Yakıt Pili Çeşitleri
Elektrolit kullanım tiplerine göre yakıt pilleri birkaç çeşit’e ayrılabilir

1Alkali Yakıt Pili (AFC)
Bu yakıt pilinde elektrolit olarak KOH kullanılırAlkali elektrolitlerde oksijen indirgeme kinetiği asit elektrolitlerden daha hızlıdır ve soy metal olmayan elektro katalizörlerin kullanılabilmesi AFC’yi ekonomik yapmaktadırAncak elektrolitin CO2 gibi asidik safsızlıkların ortamda bulunmasına izin vermemesi emisyon oranından dolayı sorun yaratır
Alkali sistemler oda sıcaklığında çok iyi çalışır ve diğer tüm yakıt sistemleri arasında en yüksek voltaj verimine sahiptirlerAyrıca birçok malzeme ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC’ler uzun işletim ömrüne sahiptir
AFC’ler güvenilir sistemlerdir ve küçük hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirlerGüç yoğunlukları 100-200 mW/cm² arasında değişmektedirMaliyetler ise ulaştırma sektörü için 50/100 $/kW değerlerine ulaştırılmaya çalışılmaktadır



Alkali Yakıt Pilinin Şematik Gösterimi

2Fosforik Asit Yakıt Pili(PAFC)
Elektrolitik olarak fosforik asitin kullanıldığı bu yakıt pilinde bağıl olarak temiz yakıtlar (doğalgaz,LPG gibi) veya gazlaştırıcıdan alınan temizlenmiş kömür gazı kullanılırPazara en yakın iki uygulama üzerinde durulmaktadırBunlar güç santralleri ve kojenarasyon üniteleridir PAFC’inde soy metal elektro katalizör kullanmak gerekmektedirBu dezavantajına rağmen fosforik asit bir elektrolit olarak mükemmel ısıl,kimyasal ve elektrokimyasal kararlılık gibi avantajlar sağlamaktadırAyrıca PAFC’ler atık ısıdan yararlanabilme açısından çok avantajlıdır
PAFC sistemleri yeryüzündeki uygulamalarda en çok gelişme gösteren sistemlerdir Çoğunlukla apartmanlar,alışveriş merkezleri gibi yerlerde elektrik üretmek amacıyla kullanılmaktadırlarPAFC’ler 250 W’dan 200 kW’a kadar,24 V’luk elektrik jenaratörü şeklinde ticari olarak piyasaya sunulma aşamasındadırYakıt olarak doğalgaz kullanan 200 kW’lık bir PAFC sisteminde yatırım maliyeti 287 $/kW’dır
PAFC’ler sabit bir çıkış seviyesinde en iyi verimde çalışabilmektedirlerHibrit bir sistem ile ivmelenmenin gerektirdiği yüksek güç gereksiniminin başka araçlarla karşılanması durumunda daha iyi performans göstermektedirPAFC’lerin en güzel uygulamaları ağır yük taşıtları yada lokomotiflerde olacaktır



Fosforik Asit Yakıt Pili Şematik Gösterimi

3 Katı Oksitli Yakıt Pilleri (SOFC)
SOFC’ler katı haldeki yakıt pilleridirHücre malzemelerinin çoğu özel seramik ve nikelden oluşmaktadırÇalışma sıcaklığı 1000 ºC civarındadırYakıt olarak CO ile birleşmiş halde hidrojen kullanılmaktadır ve reaksiyon ürünü olarak ta su buharı ve CO2 çıkmaktadır
SOFC’ler kojenerasyon ünitesi olarak hem elektrik hem de ısının kullanılabileceği yerlerdir1000 ºC dahi elde edilecek buhar ile bir buhar türbini çevrimini kombine olarak birleştirebilirBöylece toplam sistem verimi %50-55 mertebesine ulaşabilmektedirŞu anda hesaplanan yatırım maliyetleri 1500 $/kW mertebesindedir



Katı Oksitli Yakıt Pili Şematik Gösterimi

4Proton Değişim Membranlı Yakıt Pili (PEMFC)
PEMFC’ler 1960’ların başında General Electric tarafından icat edilmiştirKatı polimer elektrolitli yakıt hücresi olarak ta adlandırılırBu tip yakıt hücrelerinde proton(hidrojen iyonu) geçirebilen membranlar kullanılmaktadır
PEM yakıt pili,platin ile kaplanmış iki elektrotun arasına preslenmiş perflorlu sülfönik asit polimerler gibi proton ileten bir katı elektrolitten oluşurBuradaki elektrolit anot ile katot arasında bir gaz sütunu oluşturarak anottan katoda doğru hidrojen iyonlarının taşınmasını sağlarPolimer elektrolite gaz elektrotlarda bulunan gaz difüzyon kanalcıklarından oluşurAynı zamanda bu kanallar elektrik akımını toplama görevini de üstlenirPEM’lerin çalışma sıcaklığı 80-90 ºC gibi çok düşük sıcaklıklarda ve çalışma basınçları da 1-8 atm basınç arasındadırBu tip yakıt hücreleri belli bir nem oranında hidrojen ve oksijen ile çalışabilmektedir
PEM’ler 350 mW/cm² gibi yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir ve şu anda ticari olarak 100-500 W güç aralığında elde edilebilir durumdadırlarYatırım maliyetleri de 5000-13000 $ arasında değişmektedirMembran ve katalizör maliyetlerindeki düşüş ile ve seri üretime geçilmesi durumunda bu maliyetler 10-20 kat aşağıya inebilecektir
Yüksek güç yoğunluğu,hızlı ve çabuk marş yapabilme ve değişken güç çıkışına uygun olması PEM’lerin ulaşım alanında kullanılabilmesini uygun kılmaktadır



PEM Yakıt Hücresinin Çalışma Şekli



Bir PEM Yığını(Stack)



Bir Membran Yığın İçine Yerleştirilirken



Proton Değişim Membranlı yakıt pili şematik gösterimi
PEM) Yakıt hücresi çalışma mekanizması suyun elektrolizinin tam tersidir Yakıt
hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir



Bu reaksiyon sonucunda elektrik, su ve bir miktar ısı açığa çıkar Açığa çıkan bu ısı
miktarı evsel veya herhangi bir uygulama için kullanılarak yakıt hücresinden elde edilen
toplam verim arttırılabilir

5Eriyik Karbonatlı Yakıt Pili(MCFC)
MCFC’ler 600-650 ºC sıcaklıkta çalışır ve son dönemlerde geliştirilen ikinci jenerasyon yakıt pillerindendirAnotta CO2’ce zengin gaz ürün ve H2O üretimi sağlanır, CO2 katota giren hava ile karıştırılmak üzere gönderilir
MCFC işletim sıcaklığı yüksek olması nedeniyle değerli atık ısı,proses ısısı ve kojenarasyon amaçlı olarak kullanılabilirEn önemli avantajları hücre içindeki kendi atık ısısı desülfürizasyondan geçmiş metanın anot odasında hidrojene dönüştürülmesi için doğrudan kullanılabilmektedirMCFC’ler için hedeflenen yatırım maliyeti 1000 $/kW seviyesindedir

[IMG]


[/IMG]
Eriyik Karbonatlı Yakıt Pili Şematik Gösterimi
Yakıt Hücrelerinin Karşılaştırılması



Yakıt hücreleri ürettikleri ısı,kullandıkları elektrolit,ürettikleri güç gibi verilerle karşılaştırılabilirlerAşağıdaki tabloda yukarıda anlatılan 5 adet yakıt pilinin özellikleri karşılaştırılmıştır

Aşağıdaki grafikte PEM ile SOFC yakıt pillerinin,buhar türbini,seramik gaz türbini ve dizel yakıt ile elektrik üretimi koşullarında karşılaştırılması yapılmıştır



Gelecekteki Elektrik Santrallerinin Verim Oranları
Aşağıdaki tabloda ise 3 farlı yakıt tipine sahip otomobillerin verim oranları karşılaştırmalı olarak verilmiştir



Otto, Diesel ve Yakıt Hücreli Araçların Verim Karşılaştırması