Yakıt hücresi

Alışıla gelmiş elektrik üretim sistemleri yakıtın içindeki enerjiyi elektriğe dönüştürmek için ilk olarak yanma reaksiyonunu kullanır. Yanma reaksiyonunun verimli bir şekilde gerçekleşmesi için yakıtın ve oksitleyicinin (oksijen) tam olarak karışması gerekir. Bundan sonra elektrik enerjisi üretilene kadar bir dizi ara işlem gereklidir. Her ara işlem enerji kaybına yol açar dolayısıyla verimi düşürür.

Bir Yakıt hücresinde ise yakıtın enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi mümkündür. Yakıt ile oksitleyici farklı bölmelerde yer alırlar, alışıla gelmiş üretim sistemlerinden farklı olarak karışmazlar. Birleşmeleri ancak bu bölmeler arasındaki iyon ve elektron aktarımı ile gerçekleşir.

Yakıt hücresi, yakıtın enerjisini elektrokimyasal reaksiyon sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Dışarıdan sağlanan yakıt (anot tarafı) ve oksitleyici (katot tarafı) ile elektrik üretir. Bunlar bir elektrolit/elektrot ünitesinde reaksiyona girerler. Genellikle, reaksiyona girecek olanlar hücreye giriş yaparlarken, reaksiyon ürünleri hücreyi terk eder. Yakıt hücreleri, gerekli yakıt ve oksitleyici akışı sağlandığı sürece sonsuza dek çalışabilirler...

Yakıt hücrelerinde, reaksiyona girecek olan maddeler sürekli olarak tüketilmesine karşın, pillerde kapalı bir sistem içinde elektrik enerjisi kimyasal olarak depo edilmiş haldedir. Ayrıca, pildeki elektrotlar reaksiyona girmelerine ve pil dolup boşaldıkça değişmelerine karşın, yakıt hücrelerinin elektrotları katalitik olup nispeten kararlıdırlar.

Pek çok farklı yakıt / oksitleyici kombinasyonu mümkündür. Örneğin hidrojen hücresi, yakıt olarak hidrojen ve oksitleyici olarak oksijen kullanır. Diğer yakıtlar arasında hidrokarbonlar ve alkoller sayılabilir. Hava, klor ve klor dioksit oksitleyici olarak kullanılabilir.^[1]

Yakıt hücresinin çalışma prensibi, kataliz temeline dayanır; reaksiyona giren yakıtın elektron ve protonları ayrılır, elektrolit [ elektronik ] iletken olmadığından [ elektrolitler iyonik iletkendir. Yakıt hücresi tipine göre oksijen iyonu ya da hidrojen iyonlarını ileterek iyonik iletkenlik gerçekleştirmiş olurlar. ] elektronlar bir elektronik devre üzerinden akmaya zorlanır ve böylece elektrik akımı üretilmiş olunur. Bir diğer katalitik prosesle de, geri toplanan elektronların protonlarla ve oksitleyici ile birleşerek atık ürünlerin (örneğin; su, karbon dioksit, ısı) açığa çıkar.

Hidrojen–Oksijen (proton değişim membranlı yakıt hücresi, PDMYH) tasarımı örneğinde, proton ileten bir polimer membran (elektrolit), anot ve katotu birbirinden ayırır. Proton değişim mekanizmasının tam anlaşılamadığı 1970'lerde bu hücre, "katı polimer elektrolitli yakıt hücresi" olarak adlandırılmaktaydı.

Anot tarafında, hidrojen, anot katalizöre yayınarak proton ve elektronlara ayrışır. Protonlar membran üzerinden katoda doğru ilerlerken, elektronlar da, membranın elektriksel olarak yalıtkan olması nedeniyle harici bir devre üzerinden akar ve elektrik akımı oluştururlar. Oksijen molekülleri katot katalizör üzerinde elektron ve protonlarla reaksiyona girerek su (bu örnekteki tek atık ürün) oluşturur.

Bu saf hidrojen tipi yakıt hücrelerine ilaveten, dizel, metanol ve kimyasal hidrürler gibi hidrokarbon yakıtlar da mevcuttur. Bu tip yakıt hücrelerinin atıkları karbon dioksit ve sudur.

Yakıt hücrelerinde çok çeşitli malzemeler kullanılır. Elektrot–bipolar plakalar genellikle metal (nikel veya karbon nano tüpler) olup daha yüksek verim eldesi için platin, nano demir tozu veya paladyum gibi bir katalizörle kaplanmıştır. Karbon kâğıt bunları seramik veya suni membrandan yapılmış elektrolitten ayırır.

Tipik bir PDMYH 0,6 ila 0,7 V arasında voltaj üretebilir. Değişik faktörler nedeniyle akım arttıkça voltaj azalır:

• Aktivasyon kayıpları
• Hücre bileşenleri ve iç bağlantıların direnci nedeniyle voltaj düşüşü
• Kütle taşınım kayıpları (reaksiyona giren bileşenlerin katalizör yüzeyinde azalması nedeniyle voltaj düşüşü)^[2]

İstenen miktarda enerji eldesi için, yakıt hücreleri seri veya paralel devreler halinde bağlanabilir. Seri devreler daha yüksek voltaj, paralel devreler daha yüksek akım çekilmesine olanak verir. Bu tür yapılar "yakıt hücresi yığını" olarak adlandırılır. Ayrıca, her hücreden daha güçlü akım çekebilmek için hücre yüzey alanı da arttırılabilir.

• Maliyet. 2002 yılında hücrelerin katalizör içeriği, bir kilowatt elektrik üretimi başına 1000 dolar idi. Hedef, içten yanmalı motorların kullanıldığı mevcut teknolojilerle rekabet edebilmek için bu maliyeti azaltmaktır. Pek çok şirket, hücrede kullanılan platin miktarını azaltmak da dahil olmak üzere maliyetleri düşürmenin yolunu bulmaya çalışmaktadır. Ballard Power Systems şirketi, karbonla takviye edilmiş katalizör kullanarak (performansta bir düşüş olmaksızın) platin kullanımında %30 a varan azalma (1 mg/cm² ilâ 0.7 mg/cm²) sağlamıştır.^[3]
• Proton Değişim Membranın (PDM) üretim maliyeti. Nafion® membranın günümüz fiyatı 400 avro/m² dir. Bu membran bir hidrokarbon polimer olan ITM Power membranı ile değiştirilerek fiyat yaklaşık 4 avro/m² ye getirilebilir. 2005 yılında, Ballard Power Systems şirketi, yakıt hücrelerinde DSM şirketince patenti alınan Solupor® (poröz polietilen film membran) kullanacağını duyurmuştur.^[4]
• PDMYH'nde su yönetimi. Bu tür yakıt hücrelerinde, membranın sürekli ıslak kalabilmesi için, buharlaşan su miktarı, üretilen su miktarına eşit olmalıdır. Eğer su fazla buharlaşırsa membran kurur, direnci artar ve nihayet çatlar ve bu da gaz kaçaklarına yol açar. Bu çatlaklarda oksijen ve hidrojen doğrudan birleşerek ısı açığa çıkarır ki bu da hücreye zarar verir. Eğer su çok yavaş buharlaşırsa, bu kez de elektrotlar fazla su ile boğulur, reaksiyona giren maddeler katalizöre ulaşamazlar ve reaksiyon durur. Yakıt hücresi şirketleri ve akademisyenler su yönetimine ilişkin metotlar geliştirme çabasındadırlar.^[5]
• Akış kontrolü. Yanmalı motorlarda olduğu gibi, reaksiyona giren madde ile oksijen arasındaki oranın kararlı olması, yakıt hücresinin verimli çalışması için zorunludur.
• Sıcaklık yönetimi. Hücrenin termal olarak aşırı yüklenme sonucu tahrip olmasını önlemek için, hücre içindeki sıcaklık dağılımı aynı olmalıdır. H₂ + O₂ → H₂O reaksiyonu, ekzotermik bir reaksiyon olduğundan bu husus özellikle önemlidir.
• Dayanıklılık, servis ömrü ve bazı tür hücrelerin özel gereksinimleri. Sabit tip hücreler, -35 °C ile 40 °C sıcaklık aralığında genellikle 40.000 saatten fazla güvenilir şekilde çalışabilmeli, otomotiv uygulamalarında ise, aşırı sıcaklıklarda 5.000 saatlik (150.000 mil) bir ömüre sahip olmalıdır. Motorlar ayrıca -30 °C de çalışabilmeli ve yüksek güç/hacim oranına (yaklaşık 2,5 kW/litre) sahip olmalıdır.
• Anodun karbon monoksite karşı sınırlı toleransı.

Yakıt hücresinin prensipleri ilk olarak Alman bilim insanı Christian Friedrich Schönbein tarafından 1838 de bulunmuş ve "Philosophical Magazine" in Ocak 1839 baskısında yayımlanmıştır.^[6] Bu çalışmadan esinlenen Galli bilim insanı William Robert Grove 1843 de, günümüz fosforik asit yakıt hücresinde kullanılanlara benzer malzemeler kullanarak ilk yakıt hücresini geliştirdi. 1955'te, General Electric şirketinde çalışan bir kimyacı olan W. Thomas Grubb, orijinal yakıt hücresi tasarımını, elektrolit olarak sülfonatlaştırılmış polisitiren iyon-değişim membranı kullanarak değiştirdi. Üç yıl sonra bir başka General Electric çalışanı olan Leonard Niedrach, hidrojenin okidasyonu ve oksijenin edüksiyonu için katalizör görevi gören, membran üzerine platin kaplama metodunu geliştirdi. Bu hücre daha sonraları 'Grubb-Niedrach yakıt hücresi' olarak bilinecekti. General Electric bu teknolojiyi NASA ile birlikte daha da geliştirdi ve Gemini uzay projesinde ilk ticari yakıt hücresi kullanıldı.

1959 da İngiliz mühendis Francis Thomas Bacon 5 kW lık durağan bir yakıt hücresi geliştirdi. Aynı yıl, Harry Ihrig liderliğindeki araştırmacılar 15 kW lık bir yakıt hücresi yaptılar. Bu sistem elektrolit olarak potasyum hidroksit, reaksiyona giren maddeler olarak da sıkıştırılmış hidrojen ve oksijen kullanıyordu. 1959'un sonlarına doğru Bacon ve arkadaşları bir kaynak makinasını çalıştırabilen 5 kW lık bir yakıt hücresi yaptılar. 1960'larda Bacon'ın patentleri ABD'nin uzay araştırmaları programında elektrik ve içme suyu sağlamada kullanıldı. Uzay aracının tanklarında hidrojen ve oksijen bol miktarda bulunduğu için yakıt bulma sıkıntısı söz konusu değildi.

UTC Power şirketi, hastane, üniversite, büyük işyerleri için sabit yakıt hücresi sistemleri üreten ilk şirket oldu. Günümüzde de 200 kW lık PureCell 200 sistemi bu şirket tarafından satılmaktadır.^[7] UTC Power, NASA'ya uzay araçlarında (Apollo ve uzay mekiği programları) kullanılmak üzere yakıt hücresi sağlayan tek şirket olup otomobil ve otobüslerde kullanılabilen yakıt hücreleri de geliştirmektedir. UTC Power, donma koşullarında dahi çalışabilen proton değişim membranlı ilk otomotiv yakıt hücresinin tanıtımını yapmıştır.

Bir yakıtın verimliliği, o yakıttan ne kadar güç elde edildiğine bağlıdır. Daha çok güç eldesi demek, daha fazla akım çekmek anlamına gelir ki bu da aslında o yakıt hücresindeki kayıpları arttırır. Genel kural; "ne kadar fazla güç (akım) çekilirse, verim o kadar düşer" şeklindedir. Kayıplar genellikle hücrede voltaj düşüşü şeklinde kendini gösterir. Dolayısıyla, hücrenin verimi, voltajıyla orantılıdır. Bu nedenle, yakıt hücrelerinin polarizasyon eğrileri (akım-potansiyel diyagramları) hücre hakkında önemli bir göstergedir. 0,7 V ile çalışan bir hücrenin verimi yaklaşık %50 dir. Bu, hidrojenin enerji içeriğinin %50 si elektrik enerjisine dönüştürülebiliyor, geri kalan %50 de ısıya dönüşüyor demektir. Yakıt hücresi tasarımına göre, bir miktar yakıt reaksiyona girmeden de hücreyi terkediyor olabilir ki bu da ilâve kayıplar demektir.

Standart şartlarda çalışan ve herhangi bir yakıt kaçağı olmayan bir yakıt hücresinde verim, reaksiyonun entalpisi esasına dayanmak üzere, hücre voltajının 1,48 ile bölünmesi yoluyla hesaplanabilir. Aynı hücre için, termodinamiğin ikinci kanununa dayanan verim gereği, voltaj 1,23 ile bölünebilir. (Bu voltaj, kullanılan yakıt ve hücrenin kalitesi ve sıcaklığı ile değişebilir). Bu rakamlar arasındaki fark, reaksiyonun entalpisi ile Gibbs serbest enerjisi arasındaki farktır. Bu fark her zaman ısı olarak ve bir miktar da elektriksel dönüşüm veriminde kayıplar olarak ortaya çıkar.^[2]

Yakıt olarak oksijen yerine hava kullanıldığında, havanın sıkıştırılması ve nem eklemesi gibi, verimi düşüren ilave kayıplar da olacaktır. Öte yandan yakıt hücreleri, aşırı yüklenmelerde daha düşük verimle çalışırlar.

Yakıt hücresi ile çalışan bir taşıtın, yakıt tankından tekerleğe kadar olan verimi, düşük yüklenmelerde yaklaşık %45, ortalama %36 dır.^[8] Dizel taşıtlar için karşılaştırılabilir değer %22 dir.

Üretim, taşınım ve depolamanın da hesaplamalara dahil edilmesi gerekir. Sıkıştırılmış hidrojenle çalışan yakıt hücreli taşıtların, güç santralinden tekerleğe kadar olan verimi %22, eğer hidrojen sıvı-hidrojen olarak depolanmış ise %17 dir.^[9]

Yakıt hücreleri, pillerdeki gibi enerji depolayamazlar. Fakat, güneş veya rüzgâr enerjisi gibi kesiksiz kaynaklardan beslenen güç tesislerinde, elektroliz ve depolama sistemleri ile birleştirilerek enerji depolama sistemi oluştururlar. Bu tür tesislerin, "gidiş-dönüş verim" olarak adlandırılan toplam verimleri (elektrikten hidrojene ve tekrar elektriğe), şartlara bağlı olarak %30 ile 50 arasındadır.^[10] Kurşunlu-asit pili çok daha ucuza %90 a yakın verimle çalışmasına rağmen, elektroliz/yakıt hücresi sistemi sonsuz miktarda hidrojen depolayabilir ve bu nedenle uzun süreli depolama için daha uygundur.

Katı oksitli yakıt hücreleri, oksijen ve hidrojenin yeniden birleşimi egzotermik bir reaksiyon olduğundan, ısı üretirler. Seramik yaklaşık 800 °C a kadar ısınabilir. Bu ısı yakalanabilir ve su ısıtmada kullanılabilir. Bu durumda toplam verim %80-90 lara çıkar.

Yakıt hücrelerinden; uzay aracı, meteoroloij istasyonu, jjnjn parklar, kırsal alanlar ve bazı askeri uygulamalar gibi yerleşim alanlarından uzak bölgelerde, çok kullanışlı güç kaynağı olarak yararlanılabilir. Hidrojenle çalışan bir yakıt hücresi az yer kaplar, hafif ve hareket eden parçası da olmadığı ve yanma da içermediği için ideal şartlarda %99,9999 güvenilirliğe ulaşılabilir.^[11] Bu da, 6 yıllık bir çalışma süresi içinde bir dakikadan daha az bir bozuk kalma süresine karşı gelir.

Yeni bir uygulama "Mikro Birleşik Isı ve Enerji" sistemi olup evler, ofisler ve fabrikalar için uygundur. Bu tür bir sistem, sürekli elektrik enerjisi üretir ve hatta ürettiği enerjinin fazlasını, tüketilmediği zamanlarda elektrik şebekesine satabilir ve atık ısıdan sıcak hava ve sıcak su üretebilir. Enerjinin elektriğe dönüştürülemeyen kısmından ısı olarak yararlanılması nedeniyle düşük yakıt-elektrik dönüşümüne (%15-20) katlanılabilir. Isının bir kısmı egzoz gazlarıyla kaybedildiğinden verim %80 civarındadır. Fosforik asit yakıt hücreleri, "birleşik ısı ve enerji" ürünleri içinde en büyük payı oluşturur ve %80 e yakın verimle (%45-50 elektrik + ısı enerjisi) çalışırlar. Ergimiş karbonat yakıt hücreleri de bu tür uygulamalarda yer almaktadır.

Öte yandan, elektroliz sistemleri, kendileri yakıt depolamayıp harici depolama ünitelerine dayalı olarak çalıştıkları için, kırsal alanlar örneğindeki gibi büyük ölçekli enerji depolama sistemlerinde kullanılabilirler. Bu durumda, pillerin depolama ihtiyacını karşılamak için çok büyük boyutlarda olmaları gerekirken, yakıt hücreleri sadece büyük depolama ünitelerine ihtiyaç duyarlar.

Bu tür bir pilot program Washington eyaletindeki Stuart Island'da faaliyettedir:^[12] solar paneller hidrojen üreten elektroliz sistemini çalıştırmakta, hidrojen 500 galonluk tanklarda 200 psi da depolanmakta ve ReliOn yakıt hücrelerini çalıştırarak, şebekeye dahil olmayan yerleşim bölgesinin elektrik ihtiyacını karşılamaktadır.

Dünyanın ilk yakıt hücresi ile çalışan ve onaylı yolcu gemisi "HYDRA" dır. 6,5 kW güce sahip AYH tipi bir yakıt hücresi ile çalışan bu gemi Hamburg'da inşa edilmiş ve bugüne dek büyük bir teknik problem yaşamaksızın yaklaşık 2,000 yolcu taşımıştır. AYH teknolojisinin avantajları arasında, sistemin -10 °C da dahi çalışabilmesi ve tuzlu ortama dayanıklı olması sayılabilir.

• Ana yük güç tesislerinde,
• Elektrikli ve hibrid (melez) araçlarda,
• Yedek güç olarak,
• Şebeke dışı güç kaynağı olarak,
• Laptop bilgisayarlarda (haftalar boyunca AC şarjının yapılamayacağı durumlarda),
• Küçük elektronik cihazlar için portatif şarj istasyonu olarak.

Halka açık ilk hidrojen istasyonu, Nisan 2003'te Reykjavik-İzlanda'da hizmete girmiştir. İstasyon, Reykjavik otobüs ağındaki, DaimlerChrysler tarafından üretilen üç otobüse hizmet vermekte olup Norsk Hydro şirketince üretilen bir elektroliz ünitesi ile kendi hidrojenini üretmektedir. Olası bir hidrojen kaçağının rahatça atmosfere karışabilmesi için istasyonun tavanı bulunmamaktadır.

Otomotiv endüstrisinin ilk hidrojen yakıt hücresiyle çalışan otomobil üretme teşebbüsü "GM 1966 Electrovan" dir. Bu araç, normal bir van taşıtın iki katı ağırlığında olup 70 mil/saat hıza erişebilmektedir.^[8][13]

Bir İngiliz şirketi olan Intelligent Energy, hidrojenle çalışan ilk motosikleti üretmiştir. Motosiklet, dört saat yolculuk için yeterli hidrojeni taşımakta, 100 mil seyahat edebilmekte ve 50 mil/saat hıza erişebilmektedir.^[14] Honda da yakıt hücreli motosiklet üreteceğini duyurmuştur.^[15][16]

Yakıt hücresi teknolojisine dayanan araba ve otobüs üretimine ilişkin pek çok sayıda araştırmalar ve prototip üretimleri sürmektedir. Honda, hidrojenli aracını 2008'de piyasaya süreceğini duyurmuştur.^[17] Type 212 denizaltısı, yüzeye çıkmak zorunda kalmadan deniz altında kalabilmek için yakıt hücresi kullanır.

Avrupa'daki Boeing araştırmacılarının ve endüstriyel ortaklarının gerçekleştirmeyi tasarladıkları, insanlı ve sadece yakıt hücresi ve hafif pillerle çalışan uçak projesi geçenlerde tamamlandı ve test aşamasına geçildi. Uçak, PDMYH / lityum-iyon pili hibrid sistemi ile çalışan bir motor ve bu motorun çevirdiği klasik bir pervaneye sahip.

• Ağustos 2005: Georgia Institute of Technology'de bir grup araştırmacı, PDMYH'nin çalışma sıcaklığını 100 °C dan 120 °C a çıkartabilmek için triazol kullanıyor ve bunun, hidrojenin CO den arındırılması işlemini azalttığını iddia ediyorlar.^[18]
• Eylül 2005: Danimarka Teknik Üniversitesi'nde araştırmacılar, hidrojenin, tuz tableti içerisinde amonyak formunda depolanmasına ilişkin bir metot öne sürdüler ve bunun ekonomik ve güvenli bir depolama yöntemi olduğunu belirttiler.^[19]
• Ocak 2006: Virent Energy Systems şirketi, gliserol, sorbitol veya hidrojenle zenginleştirilmiş glukoz türevleri kullanarak belirli şeker/su karışımlarından hidrojen üretimine ilişkin düşük maliyetli bir metot üzerinde çalışmaktadır.^[20] Böyle bir teknoloji, başarılı olduğu takdirde hidrojen ekonomisine ait altyapı (hidrojen depolama) problemlerini çözebilecektir.^[21]
• 2006: Angstrom Power şirketi, "mikro-hidrojen" adı altında, hidrojen yakıt hücresi teknolojisi kullanan taşınabilir cihazlar piyasaya sürdü.^[22][23]
• Mayıs 2007: Purdue Üniversitesi araştırmacıları, aluminyum ve galyum alaşımı kullanarak sudan hidrojeni ayıran bir metot geliştirdiler. İddialarına göre, "istenildiği anda ve istenildiği kadar hidrojen üretilebilecek".^[24]

Wikimedia Commons'ta Yakıt hücresi ile ilgili ortam dosyaları bulunmaktadır.

• Elektroliz
• Pil
• Enerji
• Hidrojen
• Yenilenebilir enerji
• Nano Yüzey Kaplamalar16 Eylül 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

• The Hydrogen Economy 21 Eylül 2007 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• BIGS: Fuel Cell Animation 15 Eylül 2007 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• YouTube'da The ENV Motorcycle
• EERE: Fuel Cell Types27 Eylül 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• EERE: Hydrogen, Fuel Cells and Infrastructure Technologies Program2 Ocak 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• How Stuff Works: Fuel Cells 22 Ocak 2007 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• LLNL: Direct Carbon Fuel Cell
• LLNL: The Carbon/Air Fuel Cell Conversion of Coal-Derived Carbons
• The 10th Grove Fuel Cell Symposium and Exhibition3 Aralık 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Fuel Cells 200010 Haziran 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• The US Fuel Cell Council 2 Ekim 2007 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Airbus firmasının ilk olarak yakıt hücresi uygulamasını bir uçakta denemesiyle ilgili yazı 29 Mayıs 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.