Yakıt pili teknolojisinin 150 yıllık bir geçmişi vardır. İlk
yakıt pili 1839’da Sir William Grove tarafından yapıldı; Grove, elektrolizle su
hidrojen ve oksijene ayrılabildiğine göre, bunun tersinin de
gerçekleşebileceğini, yani hidrojen ve oksijenin birleştirilerek elektrik
üretilebileceği varsayımından hareketle, daha sonra ‘yakıt pili’ olarak
adlandırılacak olan ilk gaz bataryasını yaptı. Grove nitrik asite daldırılmış
bir platin elektrotla çinko sülfata daldırılmış bir ve çinko elektrot kullanarak
12 amper ve ~1.8 voltluk akım veren bir pil yaptı. 1893 de Friedrich Wilhelm
Ostwald elektrotlar, elektrolit, oksidasyon ve redüksiyon maddeleri, anyonlar
ve katyonlarla ilgili ilişkileri deneysel olarak saptadı. Daha sonra William
White Jaques elektrolit banyosunu fosforik asitle değiştirdi ve bu sisteme
“Yakıt Pili” adını verdi. 1920’li yıllarda Almanya’da çeşitli araştırmalar
yapıldı, karbonat saykılı ve katı oksit yakıt pilleri üzerinde çalışıldı. NASA
1960 yıllarında uzay araçlarında elektrik üretimi için alkali yakıt pillerini
kullanmaya başladı.
Yakıt pilleri kullanılan elektrolitlere göre adlandırılır.
En çok uygulaması olan beş farklı elektrolit vardır; bunlar, proton değiştirici
membran, fosforik asit, alkali, ergimiş karbonat ve katı oksit elektrolitlerdir;
yakıt pilleri, sırasıyla, PEMFC, PAFC, AFC, MCFC, SOFC dir. Aşağıda, kısaca, bu
pillerin araştırma tarihçeleri verilmiştir:
PEMFC: Thomas Grubb, Leonard Niedrach, General
Electric (1960’ların başları); General Electric (1970’ler); The British Royal
Navy (1980); Los Alamos National Lab and Texas A&M University
(1980-1990’lar)
PAFC: William Grove (1839-1842); G. V. Elmore ve H.
A. Tanner (1961); California Research Corporation; Surface Processes Research
and Development Corporation (1963); George J. Young (1959 - 1961); Karl
Kordesch, R. F. Scarr, Union Carbide (1960-1970)
AFC: Francis Thomas Bacon, Britanya (1930 sonları);
U.S. Air Force destekli, Allis-Chalmers Traktörleri (1959); Union Carbide (1950
sonları-1960)
MCFC: Emil Baur, H. Preis, İsviçre (1930’lu yılların
sonu); O. K. Davtyan, Rusya; (1940’lar); G. H. J. Broers, J. A. A. Ketelaar,
Hollanda; (1950’li yılların sonu, 1960); Francis T. Bacon (1960); Texas
Instruments (1964)
SOFC: Emil Baur, H. Preis, İsviçre (1930’lu yılların
sonları); O. K. Davtyan, Rusya (1940’lar); Central Technical Institute
,Hollanda (1950’li yılların sonları), Consolidation Coal Company, Pennsylvania
(1959); General Electric, New York (1959)
1. Özellikleri
Geleneksel fosil yakıtlarının enerjiye dönüşüm verimi yakma
yöntemine, dolayısıyla termodinamik kanunlara bağlıdır ve bu nedenle de
sınırlıdır. Oysa bir yakıt pili kimyasal reaksiyonlarla elektrik üretir ve bu
sınırlamalar olmadan çalışır. Artan enerji talebi, azalan petrol rezervlerinden
daha yüksek verimler alınmasını, dolayısıyla yakıt pillerinin ticari boyutlara
taşınmasını gerektirmektedir.
Ekonomik, güvenli ve verimli yakıt pilleri üretimi zordur;
yakıtlardaki safsızlıklar (sülfür gibi) ve proseste ikincil reaksiyonlarla
oluşan karbon monoksit pahalı katalizörleri zehirleyici maddelerdir. Tercih
edilen düşük sıcaklık operasyonunda, genellikle fosil yakıtını saf hidrojene
dönüştüren bir reformer kullanılır.
Yakıt pillerinin konvensiyonal yanma-bazlı teknolojilere
göre önemli avantajları vardır; çok az miktarlarda sera gazları emitler, sis ve
sağlık sorunları yaratan gazların emisyonu ise hiç yoktur, yakıt olarak
hidrojen kullanıldığında ise sadece ısı ve su emisyonu olur.
Yakıt Pili Nedir?
Bir yakıtın kimyasal enerjisinin geleneksel yöntemlerle
elektrik enerjisine dönüşümü ısı motorlarına dayanır. Bu makinelerin direkt
enerji dönüşümü prensibine göre çalışır:
·
Önce ısı üretilir
·
Bu ısı mekanik enerjiye çevrilir
·
Son olarak da elektrik enerjisine dönüştürülür
(Şekil-1)
Teorik enerji verimi hcmaks.,
tüm bu prosesin Carnot faktörüyle tayin edilir.
üretilen
enerji T1 – T2
hcmaks =
¾¾¾¾¾¾ = ¾¾¾¾ 100 (%)
giren
ısı T1
İş ortamının giriş sıcaklığı T1, çıkış sıcaklığı
T2’den daha yüksektir, aradaki fark verimin %100’den sapma
derecesini belirler. Carnot verimi tüm enerji dönüştürücüleri için geçerlidir;
örneğin, buhar türbinleri, iç yanmalı motorlar, termoiyonik konverterler gibi.
Bu sistemler bir başlangıç (kaynak), bir de son (tüketim) sıcaklıklar arasında
çalışırlar.
Uygulamada elde edilen verimler karşılığı olan teorik Carnot
faktöründen daima daha düşüktür; çoğu sistemlerde ancak %30-40 verim alınırken,
geliştirilmiş sistemlerde %55-60’lara kadar çıkılabilir. Verimin teorik
değerden önemli derecelerde sapması dönüşüm prosesleri sırasındaki enerji
kayıplarıdır. Yakıt pili, termomekanik enerji dönüşümü ile rekabet edebilecek
bir sistemdir.
Şekil-1: Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine değişik dönüşüm yolları
Yakıt pili bir yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik
enerjisine dönüştüren elektrokimyasal bir mekanizmadır (Şekil-1). Bataryalara
benzer şekilde yakıt pilleri de düşük-voltajlı doğru akım üretir. Bir batarya
veya akümülatör kendi hücresinde bulunan bir kimyasal maddeyi harcayarak
elektrik üretir. Yakıt pillerinde (iç yanmalı motorlarda olduğu gibi) ise
hücreye sürekli olarak yakıt beslenir; bu durumdaki enerji dönüşüm verimi,
üretilen enerji
h = ¾¾¾¾¾¾¾ 100 (%)
DH
DH, yanma
reaksiyonunun entalpi değişikliğini gösterir. Toplam reaksiyon entalpisi DH’ın ısıya dönüştüğü normal ısıl yanmanın
tersine, yakıt pilinde sadece serbest reaksiyon entalpisi DG doğrudan elektrik enerjisine dönüşür;
maksimum teorik verim maks,
DGT
hmaks. = ¾¾¾ 100 (%)
DH0
DGT pilin
çalışma sıcaklığındaki serbest reaksiyon entalpisi, DH0 standart reaksiyon entalpisidir. DG ve DH
arasındaki,
DG
= DH - T DS
eşitliğinden yakıt pilinin verimi hesaplanır:
DH – T DS
hmaks. = ¾¾¾¾¾ 100 (%)
DH
T DS
hmaks. = (1 - ¾¾¾ ) 100 (%)
DH
Reaksiyon entropisi DS
in işaretine göre verim %100 den küçük, eşit veya büyük olabilir; büyük
olduğunda çevreden ısı alınır. Yakıt pili teorik doğrudan d.c voltajında (Erev) elektrik akımı verir.
- DG
Erev. = ¾¾¾
n
F
Yakıt pilindeki en önemli reaksiyon hidrojenin yanma
reaksiyonudur.
2H2 + O2 ® 2H2O
1 bar basınç ve 25 0C sıcaklıkta bu reaksiyonun
d.c. voltajı 1.229 volttur; voltaj sıcaklığın bir fonksiyonudur. Şekil-2’de
Carnot prosesi ve yakıt pili prosesiyle üretilen enerjiler kıyaslanmıştır.
Şekil-2: Yakıt pilleri için termodinamik verim ve
ısı motorları için Carnot verimi
Yakıt Pilini Çalışma Prensipleri
Bir yakıt pili, yakıt elektrotu (anot) ve oksijen elektrotu
(katot) ile bunlar arasında bağlantı kuran bir iyon-iletici elektrolitten
oluşur. Elektrotlar, pilin dışında metalik bağlantılarla, örneğin bir elektrik
motoruna bağlanır. Elektrik devresinin bu kısmında, elektrik akımı
elektronlarca sağlanır, oysa pilin içindeki elektrolitte akım transferini yapan
iyonlardır. Düşük sıcaklıklarda asidik elektrolitlerde bu işlev protonlar
tarafından, alkali elektrolitlerde ise hidroksil iyonları tarafından yapılır.
Yüksek sıcaklıklarda, çok bilinen katı oksit yakıt pillerinde (600-1000 0C),
iyonik iletkenlik ya CO3= iyonlarıyla veya negatif yüklü
O2= oksit iyonlarıyla yürütülür. Şekil-3 asidik
elektrolitli bir hidrojen/oksijen yakıt pilinin prensiplerini göstermektedir.
Anoda fuel gaz beslenir; bu yakıt elektrot/elektrolit ara yüzeyinde
elektrokimyasal olarak protonlara ve elektronlara ayrılır. Dış elektrik devresinde
elektriksel iş yapan elektronlar katoda geçer ve elektrot/elektrolit ara
yüzeyinde oksijeni indirgeyerek su oluşturur.
Gerekli protonlar elektrolit yoluyla anottan gelir.
Elektrotlar gaz geçirgen (mesele, poröz) olmalıdır. Bir yakıt pilinde reaksiyonlar
ortamdaki her üç fazda da gerçekleşir; katı faz (elektron iletimi), sıvı faz
(iyon iletimi), gaz faz (elektrot gözenekleri. Suyun kaynama noktasının
altındaki sıcaklıklarda çalışan sıvı elektrolitli yakıt pillerinde bir
elektrolit sirkülasyon devresi bulunur; oluşan su bu devrenin pil dışında kalan
kısmındaki, örneğin bir buharlaştırıcı yoluyla uzaklaştırılır.
Reaksiyonlar:
Anot:
H2 ® 2H+ + 2e-
Katot:
½ O2 +2H++2e-® H2O
Toplam reaksiyon:
H2 + ½ O2 ®
H2O
|
Şekil-3: Yakıt pilinin çalışma prensibi
|
Katı bir elektrolitle çalışan yakıt pillerinde ise oluşan su
doğrudan elektrolitten geçerek katodik gaz kompartımanına gelir ve burada
uzaklaştırılır.
Yukarıda verilen termodinamik eşitlik bir yakıt pilinin
üretebileceği maksimum enerjiyi gösterir. Ancak çalışma sırasında çeşitli
nedenlerle bir miktar enerji kaybı olur. Kayıplar elektrot reaksiyonlarının
kinetiklerinden olabileceği gibi pilin yapısı ve prosesin kontrolünden de
kaynaklanabilir.
Yakıt pili prensipte oksitlenebilen her tür yakıtı
kullanabilir. Uygulamada düşük sıcaklıkta çalışan pillerde en yaygın kullanım
alanı olan yakıt hidrojendir. Bunun nedeni hidrojenin diğer yakıtlara
(hidrokarbonlar, alkoller, kömür gazlaştırma ürünleri gibi) kıyasla
elektrokimyasal aktivitesinin yüksek olmasıdır; reaksiyon mekanizması basit
kademelerden oluşur ve sistemi engelleyici veya zorlayıcı yan ürünler meydana gelmez. Bu yönden
hidrojen, diğer karbonlu yakıtlardan daha üstün bir yakıt pili yakıtıdır.
Karbonlu yakıtların elektrokimyasal reaksiyonları 300°C’nin
altında yavaştır, ayrıca reaksiyonlarda elektrotlar üzerindeki katalizörleri
zehirleyici etkileri olan yan ürünler çıkar. Ekonomik yönden hidrokarbon
yakıtların kullanılması önemlidir. Bu tür yakıtların oksitlenme hızları ancak
yüksek sıcaklıklarda yeterli seviyelerde olduğundan orta-yüksek sıcaklıkta
çalışan yakıt pillerinde uygundurlar.
Şekil-4: yakıt pili tipleri
Şekil-4’de çeşitli yakıt pillerinin şematik çalışmaları
gösterilmiştir. Geleneksel ısı motorları tam yükle daha yüksek verimle
çalışırken, kısmen yüklü halde önemli performans kaybı gösterir. Oysa yakıt
pilinin verimi yükün az veya çok olmasından önemli derecelerde etkilenmez,
hemen hemen sabit kalır.
2. Yakıt Pili Sistemi
Yakıt pili prosesi elektroliz olayının tersidir (Şekil-5).
Elektrolizde suya elektrik gücü uygulanarak gaz hidrojen ve oksijen elde
edilir. Yakıt pilinde bu iki gaz, hidrojen ve oksijen birleştirilir ve su
meydana gelir. Teorik olarak yakıt pilinde çıkan enerji, elektrolizde harcana
enerji kadardır. Uygulamada farklı kimyasal prosesler olmaları nedeniyle
önemsiz kayıplar olur.
Yakıt pilli sistemlerinin dizaynı karmaşıktır, pilin tipine
ve kullanım yerine göre değişir. Sistemlerin çoğu dört temel komponentten
oluşur; ayrıca pildeki nemi, sıcaklığı, gaz basıncını ve atık suyu kontrol eden
yardımcı sistemler de vardır; yakıt pili stackı, yakıt prosesörü, akım
değiştirici ve ısı kazanım sistemi.
1. Yakıt Pili
Stackı
Tek bir yakıt pili sadece çok küçük uygulamalara yetecek
kadar elektrik üretir. Bu nedenle çok sayıda (10-100 gibi) yakıt pili bir stack
içinde seri olarak birleştirilir. Bir yakıt pilinden alınan güç, pilin tipine
ve büyüklüğüne, çalışma sıcaklığına, pile verilen gazın basıncına bağlı olarak
değişir. Bir pilin yüzeyi 100-400 cm2 kadardır. Bir stack 1kW den
az, 100 kW’dan fazla güç üretebilir Yakıt pillerinden sürekli elektrik üretimi
için hava ve hidrojen akımının sürekli olması ve işlem sırasında oluşan suyun
uzaklaştırılması gerekir; bu nedenlerle bir stackın çalışması sırasında
yardımcı bazı ünitelere gerek vardır; bunlar, katoda hava basacak bir kompresör
veya fan, bir soğutma devresi, katot çıkış gazlarından oluşan suyu ayıracak bir
su ayırıcısı, kontrol sistemi, yakıt besleme sistemidir.
Şekil-5: Elektoliz ve yakıt pili şematik diyagramı ve reaksiyonlar
2. Yakıt
Prosesörü
Yakıt prosesörü, bir yakıtı, yakıt pilinde kullanılabilir
şekle dönüştüren cihazdır. Sisteme hidrojen beslenirse bir prosesöre gereksinim
olmaz veya sadece hidrojen gazındaki safsızlıkları süzmek için gerekebilir.
Sistem metanol, LPG, doğal gaz, benzin, dizel veya gazlaştırılmış kömür gibi
hidrojence zengin bir konvensiyonal yakıtla çalıştırıldığında bu tür yakıtlar,
yakıt pili stackına verilmeden önce bir reformerde gaz halindeki hidrojen ve
karbon bileşiklerine dönüştürülür; buna dış-reforming denir. Ancak yüksek sıcaklıklarda
çalışan bazı yakıt pilleri hidrokarbon yakıtları yakıt pili stackı içinde
reform edebilirler; buna iç- reforming denilmektedir. Örneğin, Ergimiş karbonat
ve katı oksit yakıt pilleri çok yüksek sıcaklıklarda çalıştığından beslenen
yakıt pilin içinde reforme edilir. Bu tip sistemlerde gaz akımı, reform olmamış
yakıttan gelebilecek safsızlıkları giderildikten sonra yakıt piline verilir.
Reformat yakıt pili stackına verilmeden önce çoğu kez diğer
bir reaktöre gönderilerek karbon oksitler ve kükürt gibi safsızlıklardan
temizlenir; aksi halde yakıt pili katalizörlerini zehirleyerek pilin verimini
ve ömrünü azaltır.
Bir yakıt prosesöründe yakıt pilinin tipine bağlı olarak
aşağıdaki teknolojilerden bazıları veya tamamı bulunabilir.
Buhar Reforming: İşlem, bir hidrokarbonu hidrojen,
karbon dioksit ve karbon monoksit karışımına dönüştürme prosesidir; proses su
buharıyla yapılır ve endotermiktir.
CXHY + H2O ® H2 + CO2 + CO
Kısmi Oksidasyon: Kısmi oksidasyon bir yakıtı
hidrojen elde edilecek şekilde reform etme prosesidir. Kısmi oksidasyon
prosesinde hava kullanılır, dolayısıyla çıkan gaz karışımında önemli miktarda N2
vardır. Proses ekzotermiktir, ısı açığa çıkar.
CXHY + O2 ® CO + H2
Ototermik Reforming: Bu iki prosesin birarada
yapılmasına “ototermal reforming” denir; bu koşullarda herhangi bir ısı
gereksinimi veya ısı çıkışı olmaz.
CXHY + O2 + H2O ® CO + H2
Seçimli Oksidasyon: Bu proses yakıt reformerinden
çıkan gaz akımındaki karbon dioksiti katalitik olarak oksitleme prosesidir.
2CO + O2 ®
2CO2
saf H2 (CO <10 ppm)
Su-Karbon Monoksit Şift (Oksidasyon) Konverteri:
Kullanılan yakıttaki karbon monoksit, yakıt pilinin teknolojisine göre, çok
veya az derecede katalizör zehirleyicidir. Bu nedenle hammadde veya reformat
yakıt, pile verilmeden önce bir konverterden geçirilerek uygun bir katalizör
üzerinde karbon monoksit karbon dioksite dönüştürülür; <%10 dolayındaki CO,
PEM piller için 50 ppm, PAF piller için %1.5 seviyesine düşürülür. Ayrıca
hidrojen kazanımı da artar.
CO + H2O «
CO2 + H2
Sülfür Giderme: Bazı yakıtlar yakıt pili
performansına zarar veren sülfür bileşikleri içerirler. Hammadde yakıtta
bulunan sülfürlü bileşikler ya önceden veya yakıt pili sistemindeki prosesör
vasıtasıyla H2S’e dönüştürülür. Ayrıca etil merkaptan, tersiyer
bütil merkaptan ve dimetilsülfür gibi kokulu bileşiklerin de uzaklaştırılması
gerekir.
Şekil-6: İntegre bir yakıt pili şeması
Şekil-6‘da buhar reforming, kısmi oksidasyon, sülfür
giderme ve CO oksidasyon üniteleri olan
bir entegre yakıt pili teknolojisi görülmektedir.
3. Akım
Çeviriciler ve Uyumlaştırıcılar (Conditioning)
Yakıt pili doğru akım üretir. Oysa pek çok sistemde
alternatif akım gereksinim kullanılır. Akım çeviriciler ve uyumlaştırıcılar
yakıt pilinden alınan doğru akımlı elektriği, kullanılacağı yere adapte eden
sistemlerdir; bunlar basit bir elektrik motoru olabileceği gibi kompleks
yardımcı işletmeler güç şebekeleri de olabilir.
Bir doğru akım devresinde elektrik sadece bir yönde akar.
Evler ve işyerlerinde kullanılan elektrik alternatif akım (AC) şeklindedir;
alternatif devrelerde akım her iki yönde akar. Her iki akım (DC ve AC) da
uyumlaştırılmalıdır. Güç uyumlaştırıcılar, elektrik akımının akışını
(amperler), voltajını, frekansını ve diğer özelliklerini kullanım yerine göre
düzenler. Çeviriciler ve uyumlaştırıcılar sistem verimini sadece %2-6 gibi çok
az miktarlarda azaltır.
4. Isı Kazanım
Sistemi
Yakıt pili sistemlerinin asli görevi ısı üretmek değildir.
Ancak ergimiş karbonat ve katı oksit gibi yakıt pillerinde sıcaklıklar yüksek
olduğundan önemli miktarda ısı açığa çıkar; bu fazla enerji buhar veya sıcak su
elde etmede, veya bir gaz türbini vasıtasıyla elektrik üretiminde
kullanılabilir. Bu yararlanma sistemlerin enerji verimini yükseltir.
5. Reaksiyonlar
Yakıt pili elektrotlar, elektrolit ve katalizörden oluşur.
Elektrolit, elektrikle yüklü tanecikleri elektrotlar arasında taşır, katalizör
elektrotlardaki reaksiyonu hızını artırır ve elektrotlar arasına sadece gerekli
iyonların geçmesine izin verir. Temel yakıt hidrojendir, havadaki oksijen (veya
özel olarak hazırlanan) kullanılarak oksitlenir, elektrik ve yan ürün olarak da
su üretir.
Tablo-4: Çeşitli
Yakıt Pillerindeki
Kimyasal Reaksiyonlar
Kimyasal Reaksiyonlar
Pil
|
Anot
Reaksiyonları |
Katot
Reaksiyonları |
Toplam
Reaksiyonlar |
PEMFC
|
2H2 ® 4H+ + 4e-
|
O2 + 4H+ + 4e- ®
2H2O |
2H2 + O2 ® 2 H2O
|
PAFC
|
2H2 ® 4H+ + 4e-
|
O2 + 4H+ + 4e- ®
2H2O |
2H2 + O2 ® 2H2O
|
AFC
|
2H2 + 4OH- ®
4H2O + 4e- |
O2 + 2H2O + 4e- ®
4OH- |
2 H2 + O2 ® 2H2O
|
MCFC
|
CO32- + H2 ®
H2O + CO2 + 2e- |
CO2 + 1/2O2 + 2e-
® CO3-2 |
H2 + ½O2 + CO2
(kat) ®
H2O(g) + CO2 (an) |
SOFC
|
2H2 + 2O2 ®
2H2O + 4e- |
O2 + 4e- ®
2O-2
|
2H2 + O2 ®
2H2O
|
DMFC
|
CH3OH + H2O®
CO2 + 6H+ + 6e- |
3/2 O2 + 6H+ + 6e-
® 3H2O |
CH3OH + 3/2O2 ®
CO2 + 2H2O |
ZAFC
|
CH4 + H2O ®
CO2 + 6H+ + 6e-
Zn + OH- ®
ZnO + H + e- |
O2 + 2H+ + 2e- ® 2OH-
O2 + 4H+ + 4e- ® 2H2O
|
CH4 + 2O2 ®
CO2 + 2H2O |
Anot yakıt pilinin negatif tarafıdır; hidrojen molekülünden çıkan elektronları nakleder, dolayısıyla dış devre olarak kullanılır. Anot içindeki kanallar hidrojen gazını katalizör yüzeyinde eşit olarak dağıtır. Hidrojen veya hidrojence-zengin bir gaz anoda beslenir; burada bir katalizör, hidrojenin (-) yüklü elektronlarını (+) yüklü iyonlardan (protonlar) ayırır.
Katot yakıt pilinin pozitif tarafıdır; içerdiği kanallarla
oksijeni katalizör yüzeyinde dağıtır. Elektronları dış devreden katalizöre geri
döndürür; burası, hidrojen ve oksijen iyonlarının birleşerek su oluşturduğu
alandır. Katotta oksijen elektronlarla birleşir ve koşullara göre protonlarla
su, veya suyla hidroksil iyonları üretir (Tablo-4).
Bir yakıt pilindeki elektrokimyasal reaksiyonlar anot ve
katotta iki ayrı yarı-reaksiyondur; anotta oksidasyon (yükseltgenme), katotta
redüksiyon (indirgenme). Toplam reaksiyonda su + elektrik gücü + ısı elde
edilir.
3. Yakıt Pili Türleri
Yakıt pilleri kullanılan elektrolitlere göre adlandırılır.
En çok uygulaması olan beş farklı elektrolit vardır; bunlar, proton değiştirici
membran, fosforik asit, alkali, ergimiş karbonat ve katı oksit
elektrolitlerdir.
Devam eden araştırmalarla el elektronik aletlerinde
kullanılan mikro pillerden, 200 MW’ın üstündeki şehir güç üreticilerine kadar
uzanan komple enerji spektrumu hedeflenmektedir.
Polimer elektrolit membran yakıt pilleri (PEMFC) ve fosforik
asit yakıt pilleri (PAFC) sadece pozitif yüklü iyonları nakleder, elektronları
bloke ederler. Anot ve katot arasına sadece gerekli iyonların geçmesine izin
verir, diğerlerinin geçişi kimyasal reaksiyonlarla engellenir; protonlar
elektrolitten geçerek katoda gider, oksijen ve elektronlarla birleşir, su ve
ısı üretir.
Alkali yakıt pili (AFC), ergimiş karbonat yakıt pili (MCFC)
ve katı oksit yakıt pilinde (SOFC) negatif iyonlar elektrolitten geçerek anoda
gider, hidrojenle birleşir, su ve elektronlar üretir. Pilin anot tarafındaki
elektronlar elektrolitten geçerek (+) yüklü katot tarafına geçemezler, ancak
bir elektrik devresi boyunca hareket ederek pilin diğer tarafına ulaşabilirler;
elektronların bu hareketi ise bir elektrik akımıdır.
Yakıt pilleri genellikle kullanılan elektrolitin tipine göre
sınıflandırılır. Elektrolit, pildeki kimyasal reaksiyonun tipini, katalizörü,
pilin çalışma sıcaklığını, yakıtı ve diğer faktörleri belirler; bu özellikler
de pillerin uygulama alanlarını etkiler. Çeşitli yakıt pillerinden bazıları ve
tanım adları aşağıda verilmiştir.
·
AFC: Alkali Yakıt Pili
·
PAFC: Fosforik Asit Yakıt Pili
·
PEMFC: Polimer Elektrolit Membran Yakıt Pilleri,
değişik adlarla tanımlanır; PEFC (Proton Değiştirici Yakıt Pili), SPFC: (Katı
Polİmer), SPEFC: (Katı Polimer Elektrolit), IEMFC (İyon Exchange Membran)
·
SOFC: Katı Oksit Yakıt Pili
·
MCFC: Ergimiş Karbonat Yakıt Pili
·
Diğerleri (Direkt Metanol, Rejeneratif ve
Çinko-Hava Yakıt Pilleri)
1. Alkali Yakıt
Pilleri (AFC)
Alkali yakıt pilleri ilk geliştirilen teknolojilerden
biridir ve NASA uzay programında uzay araçlarında elektrik ve su üretiminde
kullanılmıştır.
Alkali yakıt pillerinin yüksek performansı pildeki
reaksiyonların hızlı olmasıdır. Ancak havadaki az miktardaki CO2
bile pilin çalışmasını olumsuz yönde etkiler
ve pilin kullanım süresini kısaltır. Bu nedenle kullanılan hidrojen ve
oksijenin önceden saflaştırılmaları gerekir ki bunun da ek bir maliyeti vardır.
Uzay çalışmaları ve denizaltı araştırmaları için bu maliyet artışı önemli
değildir. Ancak ticari uygulamalarda kullanılan yakıt pillerinin ekonomik
bakımdan 40000 çalışma saatinden daha
fazla dayanıklı olması istenir. AFC pillerinde bu süre 8000 saat dolayındadır,
dolayısıyla büyük çaplı utilite ünitelerinde kullanılmamaktadır.
Alkali yakıt pillerin çalışma sıcaklığı 80-200 0C’dir;
yakıt saf hidrojen, oksitleyici saf oksijendir. Elektrolit olarak sulu potasyum
hidroksit çözeltisi kullanılır. Elektrotlar çeşitli metaller olabilir; verim
%60-70, çıkış gücü: 300 W-5 KW dir.
Pil: AFC
Anot Reaksiyonu: 2H2 + 4OH- ® 4H2O
+ 4e-
Katot Reaksiyonu O2 +
2H2O + 4 e- ® 4OH-
Toplam Reaksiyon: 2 H2 + O2 ® 2H2O
Şekil-7: Alkali yakıt pilinin şematik diyagramı.
2. Fosforik Asit
Yakıt Pilleri (PAFC)
Fosforik asit yakıt pillerinde elektrolit olarak,
teflon-bağlı silikon karbid matris içinde sıvı fosforik asit, elektrot olarak
da platin katalizörlü karbon elektrotlar kullanılır.
Çalışma prensibi polimer membran yakıt pillerine benzer
(Şekil-8) PA yakıt pillerinin çalışma sıcaklığı 150-220 0C’dir.
Kullanılan yakıtın saf hidrojen olma zorunluluğu yoktur, sistem %1.5 kadar
karbon monoksiti tolere edebilir özelliktedir. Oksitletici olarak O2
veya hava kullanılabilir. Verim %40-50, çıkış gücü 200 KW-11MW dır. Fosforik
asit yakıt pilleri ticari amaçlı kullanımı en yaygın olan ve halen dünyada 200
kadar ünitede kullanılmakta olan pillerdir; hastaneler, oteller, ofis binaları,
okullar, utilite güç fabrikaları ve hava alanları terminalleri gibi çok geniş
kullanım alanları vardır. PAFC aynı ağırlıktaki diğer yakıt pillerine kıyasla
daha az güçtedir, dolayısıyla daha büyük, daha ağırdır, ayrıca daha da
pahalıdır. PEM yakıt pillerinde olduğu gibi bunlarda da platin katalizöre gerek
vardır; bu da pilin fiyatını artırıcı bir diğer faktördür.
Pil: PAFC
Anot Reaksiyonu: 2H2 ®
4H+ + 4e-
Katot Reaksiyonu: O2 +
4H+ + 4e- ® 2H2O
Toplam Reaksiyonu: 2H2 + O2 ® 2H2O
Şekil-8: PEM ve fosforik asit yakıt pillerinin şematik diyagramı.
3. Proton
Değiştirici Membran Yakıt Pilleri (PEM)
Polimer elektrolit membran yakıt pilleri, diğerleriyle
kıyaslandığında daha yüksek güç yoğunluğu, daha küçük hacim ve daha az ağırlık
gibi avantajlara sahiptir. Elektrolit katı bir polimer, elektrotlar platin
katalizörlü poröz karbon, yakıt HA
reformat, oksidant oksijen veya hava, verim %40-50, çıkış
gücü 0.1 W-500 KW dir. Kullanılan hidrojen bir alkolden veya hidrokarbon
yakıttan elde edildiğinde, platin katalizör CO zehirlemesine karşı hassas
olduğundan, yakıtta kalan CO’in giderilmesi gerekir; bu maliyet artışını
düşürmek için platin yerine, karbon monoksite dirençli Pt/Ru katalizörler
geliştirilmektedir.
PEM pilleri düşük sıcaklıklarda (60-200 0C)
çalıştığından anot ve katottaki yarı-reaksiyonlar çok yavaştır; bu nedenle her
iki elektrotun da bir yüzü bir katalizör tabakasıyla kaplanarak oksijen ve
hidrojenin reaksiyonu hızlandırılır. Katalizör, çok ince platin tozu kaplanmış
karbon kağıdı veya bezidir, kaba ve porözdür ve yüzey alanı çok büyüktür;
platin kaplı tarafları PEM a dönük olarak yerleştirilir.
PEM’de sadece pozitif hidrojen iyonlarını (protonlar)
iletebilen polimer membran elektrolit kullanılır. Elektrolit, iki elektrot
arasında sandviç şeklinde yerleştirilmiş ince tabakalar halindedir; bu
tabakalar, oksitlenme ve redüklenme reaksiyonlarına yardımcı olan platin bazlı
katalizör içerir. Elektrotlar ve polimer membran elektrolit kombinasyonu, iki
gaz akış plakasıyla çerçevelenerek tek bir yakıt pili şekline dönüştürülür.
Anot kompartımanına hidrojen, katot kompartımanına da oksijen veya hava
beslendiğinde ~1 volt elektrik potansiyeli oluşur. Anot ve katot dışardan bir
elektrik devresiyle birbirlerine bağlanırsa bir akım üretilerek hidrojen ve
oksijen harcanır.
PEM yakıt pilleri araba, otobüs, nakliye vasıtalarında ve
çeşitli sabit ekipmanlarda kullanılmaktadır. Ulaştırmada en önemli dezavantaj,
hidrojenin enerji yoğunluğu düşük olduğundan, yeterli miktarda depolama
zorluğudur; örneğin 500-700 km lik bir mesafeye yakıt ikmali yapmadan ulaşmak
zordur.
PEM pillerin çalışma prensibi fosforik asit yakıt pillerine
benzer (Şekil-8).
PİL: PEMFC
Anot Reaksiyonu: 2H2 ® 4H+
+ 4e-
Katot Reaksiyonu: O2 +
4H+ + 4e- ® 2H2O
Toplam Reaksiyon: 2H2 +
O2 ® 2 H2O
4. Katı Oksit
Yakıt Pilleri (SOFC)
Katı oksit yakıt pillerinde sert, poröz olmayan seramik
elektrolitler kullanılır, çalışma sıcaklığı 600-1000 0C, elektrik
verimi %60-80 (atık ısıdan yararlanıldığında %80-85) arasında, çıkış gücü
10-1000 kW dir. Yüksek çalışma sıcaklığı nedeniyle değerli metal katalizöre ve
dış reforminge gerek olmaz., beslenen yakıtları (hidrojen, karbon monoksit,
metan, reformat) iç reformingle hidrojene dönüştürür; bu özellikler pilin
maliyetini düşürücü unsurlardır. Oksidant olarak oksijen veya hava
kullanılabilir (Şekil-9).
Katı oksit yakıt pilleri sülfürlü bileşiklere ve karbon
oksitlere karşı dirençlidir; bu özellikleri kömür bazlı yakıtları kullanmasına
olanak verir. Yüksek sıcaklıkta çalışmanın bazı dezavantajları vardır; devreye
alınması zaman gerektirir ve ayrıca ısı kaybının önlenmesi için ilave
sistemlere ihtiyaç olur. Bu olumsuzluklar nedeniyle katı oksit yakıt pilleri
sabit utilite güç üretim alanlarında ve sabit yerleşim alanlarında uygun bir
enerji kaynağı olmasına karşın, taşınabilir küçük sistemler ve ulaşım
araçlarında uygun değildir.
PİL: SOFC
Anot Reaksiyonu: 2H2 +
2O2 ® 2H2O + 4e-
Katot Reaksiyonu: O2 + 4 e- ® 2O2-
Toplam Reaksiyon: 2H2 + O2 ® 2H2O
Şekil-9: Katı oksit yakıt pilinin şematik diyagramı.
5. Ergimiş
Karbonat Yakıt Pilleri (MCFC)
Ergimiş karbonat yakıt pilleri doğal gaz ve kömür-bazlı güç
ünitelerinin elektrik ihtiyacını karşılamak için geliştirilmiş, 250 kW-100 MW
güç üretebilen yüksek-sıcaklık (600-1000°C) yakıt pilleridir; yakıt olarak
hidrojen, karbon monoksit ve reformat, oksitleyici olarak CO2, O2
ve hava kullanılabilir. MCFC de verim: %50-60 (atık ısıdan yararlanıldığında
%85) dolayındadır. Elektrolit, poröz bir lityum aluminyum oksit matris içinde
dağıtılmış ergimiş karbonat tuz karışımlarıdır.
MCFC de değerli bir metal katalizöre gerek olmaz (Şekil-10).
PİL: MCFC
Anot Reaksiyonu: CO32-+
H2® H2O + CO2+
2e-
Katot Reaksiyonu: CO2 +1/2O2
+ 2e -® CO32-
Toplam Reaksiyon: H2 +
½ O2 + CO2 (kat) ®
H2O(g) + CO2 (an)
Şekil-10: Ergimiş karbonat yakıt pilinin şematik diyagramı.
Alkali, fosforik asit ve polimer membran elektrolit yakıt
pillerinden farklı olarak ergimiş karbonat yakıt pillerinde, hidrokarbon
yakıtlardan hidrojen üreten dış reforming ünitesi zorunluluğu yoktur. Bunlar,
çok yüksek sıcaklıklarda çalıştığından beslenen yakıtlardan hidrojeni kendi
içinde, “iç reforming” prosesiyle üretir; dolayısıyla maliyeti düşürücü etkisi
olur. MCF piller kömürle çalışabildiğinden CO ve CO2 zehirlenmesine
karşı h
assas değildir, sülfür ve tanecik kirlenmelerine karşı
dirençlidir.
Bu tip pillerin en önemli dezavantajı dayanıklılık
süresidir; yüksek sıcaklıklar ve korozif elektrolit pil malzemelerinin
bozulmasına ve pilin ömrünün kısalmasına neden olur.
6. Diğer Yakıt
Pilleri
DMFC, Direkt Metanol Yakıt Pili: Direkt metanol yakıt
pillerinde saf metanol buharla karıştırılarak doğruda pilin anoduna verilir.
Metanol, sıvıdır ve nakliyesi kolaydır, enerji yoğunluğu hidrojene göre yüksek
olduğundan direkt metanol yakıt pillerinde yakıt depolama sorunlarıyla
karşılaşılmaz.
DMCF, polimer membran elektrolit yakıt pillerine benzer.
Farklılığı yakıt olarak hidrojen yerine metanol kullanılmasıdır; anotta sulu
ortamda metanol oksitlenerek CO2, hidrojen iyonları ve elektronlar
meydana gelir. Sonraki kademeler PEM yakıt pillerinde olduğu gibidir.
PİL: DMFC
Anot Reaksiyonu: CH3OH
+ H2O ® CO2 + 6H+
+ 6e-
Katot Reaksiyonu: 3/2 O2 +
6H+ + 6e- ® 3H2O
Toplam Reaksiyon: CH3OH
+ 3/2O2 ® CO2 + 2H2O
Direkt metanol yakıt pili teknolojisi, hidrojenle çalışan
pillere kıyasla yeni bir teknolojidir, 1990’lı yıllarında geliştirilmiştir ve
halen cep telefonları ve diz üstü bilgisayarlarda deneme kullanımındadırlar.
Devam etmekte olan araştırmalarla verimleri %40’a kadar artırılmıştır.
Şekil-11: Rejeneratif yakıt pili
Rejeneratif (veya Reversibıl) Yakıt Pili (RCF):
Rejeneratif yakıt pilleri, diğerleri gibi, hidrojen ve oksijenden elektrik
üretir ve yan ürün olarak ısı ve su çıkar. Ayrıca, güneş enerjisinden veya
diğer bazı kaynaklardan aldığı elektrikle de yan ürün suyu elektrolizle
hidrojen ve oksijene dönüştürür. Bu, NASA’nın geliştirdiği oldukça yeni bir
teknolojidir (Şekil-11).
Çinko-Hava Yakıt Pili (ZAFC): ZAFC diğer yakıt
pillerinden bazılarının özelliklerini birarada gösterir. Bu pillerde elektrolit
seramikten yapılmış katı bir maddedir, yük taşıyıcılar OH-
iyonlarıdır. Anot çinko metalinden yapılmıştır, hidrojen ve çeşitli hidrokarbon
yakıtları kullanabilir, elektrik iletkenliği yüksektir, 700ºC de çalışır.
Katot, bir gaz difüzyon elektrotla hava veren sistemden ayrılmıştır. Gaz
difüzyon elektrot havadaki oksijeni geçiren bir membrandır. Katotta oksijen ve
hidrojen reaksiyona girerek hidroksil iyonları ve su oluşur.
Pilin yüksek sıcaklıkta çalışması nedeniyle hidrokarbon
yakıtların iç-reformingle hidrojene çevirebilmesi, bir dış-reforminge gerek
duyulmaması ve ayrıca çıkan yan ürün ısının yüksek basınçlı buhar üretiminde
kullanılabilmesi gibi avantajları vardır.
PİL: ZAFC
Anot Reaksiyonu: CH4 +
H2O ® CO2 + 6H+
+6e-
Zn + OH-® ZnO + H + e-
Katot Reaksiyonu: O2 +
2H+ + 2e- ® 2OH-
O2 + 4H+ +
4e- ® 2H2O
Toplam Reaksiyon: CH4 + 2O2 ® CO2 + 2H2O
4. Kullanım Alanları
Yakıt pili hidrojenin kimyasal enerjisini kullanarak temiz
ve yüksek verimli elektrik ve su üretir. Yardımcı işletmeler (utilite) güç
üniteleri gibi büyük sistemlerden küçük detektörlere kadar farklı
büyüklüklerdeki uygulamalarda kullanılabilir.
Yakıt pilleri araçlardaki iç yanmalı motorların ve sabit ve
taşınabilir güç sistemlerinin yerine alabilecek potansiyelde bir güç
kaynağıdır. Kullanım yerleri arasında otomobiller, otobüsler ve diğer nakliye
araçları, bilgisayarlar, telefonlar gibi taşınabilir pek çok malzeme, evler ve
iş yerleri, fabrikalar gibi sabit mekanlar sayılabilir.
Yakıt pilleri oldukça verimli sistemlerdir ve kirliliğe
neden olan atıkları azdır veya hiç yoktur. Pildeki kimyasal enerjinin elektrik
enerjisine dönüştürülmesi sırasında bir miktar da ısı enerjisi çıkar. Bazı
uygulamalarda bu ısıdan yararlanır, dolayısıyla pilden alınan toplam verim
artar. Bir yakıt pilinin atığı yanma gazlarıdır; bir hidrokarbon yakıt
kullanıldığında karbon dioksit bulunabilir, yakıt hidrojense sadece su çıkar.
Çalışma sıcaklıkları düşük olan yakıt pillerinin atıklarında NOx
bulunmaz.
Tablo-5: PEMFC,
PAFC, AFC, MCFC, ve
SOFC’in özellikleri
SOFC’in özellikleri
