1. ÖZELLİKLERİ
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 x 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
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 = ¾¾¾¾¾¾ x 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 hmaks,
DGT
hmaks. = ¾¾¾ x 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 x 100 (%)
DH
T
DS
hmaks. = (1
- ¾¾¾) x 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 dc 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.
Şekil-3: Yakıt pilinin çalışma prensibi
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. 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. YAKIT PİLİ SİSTEMİ
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.
Şekil-5:
Elektoliz ve yakıt pili şematik diyagramı ve reaksiyonlar
2.1. 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-6’da bir
yakıt pili stackı görülmektedir.
Şekil-6: 2 kW’lik bir
yakıt pili stakı
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-7‘de buhar reforming, kısmi
oksidasyon, sülfür giderme ve CO oksidasyon
üniteleri olan bir entegre yakıt pili teknolojisi görülmektedir.
Şekil-7: İntegre bir yakıt pili şeması
2.3. 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.
2.4. 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.
2.5. 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.
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. Katotda oksijen elektronlarla birleşir ve koşullara göre protonlarla
su, veya suyla hidroksil iyonları üretir (Tablo-1).
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. YAKIT PİLİ TÜRLERİ
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.
Tablo-1: Çeşitli yakıt pillerindeki
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-
® CO32-
|
H2 + ½O2 + CO2
(katot) ® H2O(g) + CO2 (anot)
|
SOFC
|
2H2 + 2O2 ® 2H2O
+ 4e-
|
O2 + 4e- ®
2O2-
|
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
|
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)
3.1. 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.
Tabii ki gerek uzay çalışmaları ve gerekse 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.
Şekil-8: Alkali yakıt
pilinin şematik diyagramı.
3.2. 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-9) 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.
3.3. 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 H2 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 pillerin çalışma prensibi fosforik asit yakıt pillerine
benzer (Şekil-9).
Şekil-9: PEM ve fosforik asit yakıt pillerinin şematik diyagramı.
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.
3.4. 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-10).
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.
Şekil-10: Katı oksit yakıt pilinin şematik diyagramı
3.5. 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-11).
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 karbon monoksit ve karbon dioksit
zehirlenmesine karşı hassas 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. Bu olumsuzlukların
giderilmesi için çalışmalar devam etmektedir.
Şekil-11: Ergimiş karbonat yakıt pilinin şematik diyagramı
3.6. 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.
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.
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-12).
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. Tablo-2’de bazı yakıt pillerinin
özellikleri verilmiştir.
Şekil-12: Rejeneratif yakıt pili
4. KULLANIM ALANLARI
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.
GERİ (hampetrolden petrokimyasallara)