YAKIT HÜCRELERİ

[PEM]

Yakıt Hücresinin Tarihçesi

Yakıt hücreleri, verimli, ekonomik, sessiz ve çevre ile uyumlu enerji üretiminde kullanılan, gelecek kuşaklarda çok daha yaygın olarak kullanılacağı tahmin edilen önemli yaklaşımlardan biridir. Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji; düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür.

Yakıt hücreleri ilk defa 19. Yüzyılın sonunda geliştirilmiştir. İlk pratik yakıt hücreleri Apollo uzay programı için 1960’larda yapılmıştır, günümüzde de hala uzay projelerinde yakıt hücrelerinin kullanımı devam etmektedir. 1839 yılında Sir William Grove seyreltik sülfirik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elktrotdan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmıştır. Daha sonraki yıllarda Grove, önceki çalışmasında kullandığı sistemden elli tanesini birleştirerek oluşturduğu bir sistemde daha fazla elektrik akımı üretmeyi başarmıştır.

Şekil. 1.1. 1839 yılında Sir William Grove tarafından geliştirilen yakıt hücresi.

Yakıt hücresi terimi ilk olarak 1889’da Ludwing Mond ve Charles Langer tarafından Grove’un çalışmaları tekrarlanarak ortaya konmuştur. Mond ve Longer oksijen kaynağı olarak havayı, hidrojen kaynağı olarak da endüstriyel kömür gazını kullanarak 1.5 watt güç üreten ve %50 çalışma verimine sahip bir yakıt hücresi geliştirmişlerdir. 1894’de Wilhwm Oswalt kömür türevli yakıtlar ile çalışan bir elektrokimyasal hücre yapmıştır. 1932’de Francis T. Bacon ilk başarılı yakıt hücresinin geliştirmiştir. 1952’de Bacon ve arkadaşları 5 kW’lık güç üreten bir yakıt hücresi yapmışlardır. Aynı yılın sonlarında Harry Karl Ihring 20 beygir gücünde bir yakıt hücrsiyle çalışan traktör dizayn etmişlerdir. Bu buluş günümüzdeki modern yakıt hücresiyle çalışan makinaların başlangıcı olmuştur.

1960’lı yıllarda NASA yakıt hücresi teknolojisine oldukça ciddi yatırımlar yapmıştır. Yakıt hücreleri hafif olmaları ve yan ürün olarak su üretmelerinden dolayı uzay uygulamaları için düşünülmeye başlanmıştır. Uzay çalışmalarında yakıt hücrelerinin kullanılması; yüksek verim, düşük gürültü ve titreme, yüksek enerji yoğunluğu gibi avantajlar sağlamaktadır. İlk olarak Gemini uzay aracında General Elektrik tarafından üretilen proton değişim membran yakıt hücresi kullanılmıştır (Şekil 2). 1970’li yıllarda General Motor “Elektrovan” adlı yakıt hücresiyle çalışan bir araç geliştirmiştir. 1970’li yıllarda devlet destekli yakıt hücresi araştırmaları başlamış ve bu amaçla Los Alamos Ulusal Labaratuvarı ve Brookhaven Ulusal Labaratuvarları kurulmuştur.

Şekil 2. Gemini uzay aracında kullanılan proton değişim membran yakıt hücresi.

Yakıt Hücresi Çalışma Prensibi ve Türleri

Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji; düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür. Yakıt hücreleri düşük gürültü seviyesinde, az kirletici ürün açığa çıkararak yüksek verimle çalışabilmektedirler, tek yan ürün saf sudur. H₂; katottaki oksijenin indirgenmesiyle birlikte anotta yükseltgenir. Bunun yanı sıra yakıt hücresinde metanol, su ve CO₂’ye veya CO; CO₂’ye dönüşebilmektedir.

Yakıt hücrelerinin en önemli uygulaması uzay araçlarında başlıca enerji kaynağı olarak kullanılmalarıdır. H₂-O₂ yakıt hücrelerinin insanlı uzay araçlarında kullanımı; içme ve soğutma amaçlı olarak saf suyun üretimini sağlamaktır. Nüfusu yoğun olan bölgelerde bile yakıt hücrelerini baz alan güç istasyonları kurulabilmektedir. Yakıt hücrelerinin; düşük emisyon ve gürültü seviyeleri ile H₂’nin temel enerji kaynağı olması durumundaki yüksek verimlilikleri nedeniyle yakın gelecekte önemli rol oynayacağı tahmin edilmektedir.

Yakıt hücre sistemleri genellikle kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar (Şekil 3), 1. Bazik yakıt hücreleri, 2. Erimiş karbonat yakıt hücreleri, 3. Fosforik Asit yakıt hücreleri, 4. Katı oksit yakıt hücreleri, 5. Proton değişim membran yakıt.

Şekil 3. Yakıt Hücresi Türleri

Yakıt Hücresi Türleri

Proton değişim membran yakıt hücreleri

Bu sistemlerde proton geçirgen polimerik membran elektrolit olarak kullanılmaktadır. Kullanılan membranlar yaklaşık 50mm kalınlığındadır. Elektrot reaksiyonları asidik yakıt hücre sistemlerindeki gibidir. Katalizör olarak Pt içeren karbon elektrotlar proton değiştirici membranın iki yüzeyine preslenmiştir. Bir diğer yaklaşım ise hidrojeni difüzleyen ve diğer gazların geçişine izin vermeyen paladyum ya da paladyum-gümüş membranların kullanılmasıdır. Proton değişim membran yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 80-100°C’dir.

H₂ +2Pt --> 2 Pt-H

2 Pt-H -->2 Pt + 2H⁺+ + 4e^-

2H₂ --> 4H+ + 4e^- anot reaksiyonu

4e- + 4H+ + O₂ --> 2H₂O katot reaksiyonu

2H₂ + O₂ --> 2H₂O hücre reaksiyonu

Bazik yakıt hücreleri

Bazik yakıt hücrelerinde KOH elektrolit olarak kullanılmaktadır (ağırlıkça 30-45%). Bu hücreler oda sıcaklığında çalışırlar ve diğer yakıt hücreleriyle karşılaştırıldıklarında daha yüksek voltaj verimi elde edilir.

2H₂ (g) + 4OH^- (l) ®2H₂O (l) + 4e^- anot reaksiyonu

O₂ (g) + 2 H₂O (l) + 4e^- ®4OH^- (aq) katot reaksiyonu

2H₂ (g) + O₂ (g) ® 2H₂O (l) hücre reaksiyonu

Bazik ortamda karbondioksit karbonata dönüştüğünden dolayı, gaz girişinde CO₂ bulunmasına izin verilmemektedir. Poroz nikel anot ve katotla kullanılmaktadır. Bazı uygulamalarda Pt katalizör elektrotlar üzerine konularak kullanılmaktadır. Bazı hücreler yaklaşık 200°C’de ve yüksek basınçlarda çalışabilmektedir. AFC sistemleri uzay gemilerinde, elekrikli araçlarda ve denizaltılarda kullanılmaktadır. Bu tür yakıt hücrelerinde uzun çalışma ömrüne ulaşılabilmektedir. Kullanılan pahalı katalizörlerden, hidrojenin sıvılaştırılması ve sıkıştırılması için ekstra enerji tüketiminden ve saf hidrojenin pahalı olmasından dolayı bu tür yakıt hücreleri yüksek maliyetlidir.

Erimiş karbonat yakıt hücreleri

MCFC sistemlerinde elektrolit olarak LiAlO₂ matrisi üzerine tutuklanmış erimiş lityum-potasyum karbonat karışımı kullanılmaktadır. Sistemde meydana gelen reaksiyonlar:

H₂ (g) + CO₂^{- 2} ® CO₂ (g) + H₂O + 2e^- anot reaksiyonu

1/2O₂ (g) + CO₂ (g) + 2e^- ® CO₂^{- 3} katot reaksiyonu

2H₂ (g) + 1/2O₂ (g) ® H₂O hücre reaksiyonu

Bu tür yakıt hücre sistemlerinin çalışma sıcaklığı 500-700°C arasındadır. Bu sıcaklıklarda elektrotları aktifleyen Pt gibi katalizörler kullanılmaktadır. Hidrokarbonlar yakıt olarak kullanıldıklarında hücreye direk olarak beslenirler ve burada hidrojen içeren gazlara dönüşürler. Yakıt hücresinin dayanımı önemli bir problemdir. Hücrenin yapımında kullanılacak düşük maliyetli materyallerin bulunması da karşılaşılan önemli bir zorluktur.

Fosforik asit yakıt hücreleri

Bu hücrelerde ince silikon karbür matris içindeki fosforik asit elektrolit olarak kullanılmaktadır. Asidik ortamda meydana gelen reaksiyonlar:

H₂ (g) ® 2H⁺ (aq) + 2e^- anot reaksiyonu

1/2O₂ (g) + 2H⁺ (aq) + 2e^- ® H₂O katot reaksiyonu

2H₂ (g) + 1/2O₂ (g) ® H₂O hücre reaksiyonu

Kullanılan elektrolit kararlıdır ve bu hücreler karbondioksit içeren hava ile de çalışabilirler. Sistemin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 170-200°C arasındadır. Oldukça yüksek çalışma sıcaklıkları katalizörlerin CO ile zehirlenmesini azaltır. Sistem oldukça düşük maliyetlidir ve yaklaşık olarak 40000 saat çalışma ömrüne ulaşılabilir.

Katı oksit yakıt hücreleri

Bu tür yakıt hücrelerinde elektrot ve elektrolit arası kararlı itriyum oksit ya da zirkonyum gibi katı oksit seramik bir materyalden yapılmıştır. Bu materyaller 800°C’nin üstünde O^2- iyonlarını iletirler. Eğer hücre 900°C civarında çalışıyorsa meydana gelen reaksiyonlar:

aH₂ (g) + bCO (g)+ (a+b) O^2- ® bCO₂ (g) + aH₂O + 2(a+b) e^- anot reaksiyonu

½(a+b) O₂ (g) + 2(a+b) e^- ® (a+b) O^2- katot reaksiyonu

½(a+b) O₂ (g) + aH₂ (g) + bCO (g) ® aH₂O(g) + bCO₂ (g) hücre reaksiyonu

Tablo 1. Yakıt hücresi tipleri

Hücre Özellikleri	Yakıt Hücresi Türü
	Polimer Elektrolit Membran	Fosforik asit	Karbonat	Katı oksit
Elektrolit	İyon değiştirici membran	Fosforik asit	Bazik karbonat karışımı	itriyum oksit ya da zirkonyum
Çalışma sıcaklığı (°C)	80	200	650	1000
Yük taşıyıcı	H^+	H^+	CO3^=	O^=
Elektolit şekli	Katı	İmmobilize sıvı	İmmobilize sıvı	Katı
Hücre donanımı	Karbon-metal	Grafit	Paslanmaz çelik	Seramik
Katalizör	Platinyum	Platinyum
Yakıt hücresi verimi %	<40	40-45	50-60	50-60