Hidrojen elektrik üretmek için bir elektrokimyasal reaksiyon içinde yanma olmadan oksijenle birleştirilebilir. Bu reaksiyonun oluştuğu yer elektrokimyasal yakıt hücresi veya sadece yakıt hücresi olarak adlandırılır. Yakıt pilleri temiz, sessiz, hareketli parça içermeyen ve yüksek verimli, doğalgaz veya diğer hidrojen içeren gazlardan elektrik ve ısı enerjisi üretim teknolojisidir.
Diğer enerji üretim teknolojilerinden çok farklı olarak yakıt pili, yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan kullanılabilir elektrik ve ısı enerjisine dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır. Yakıt 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 benzerdir. Yakıt pili ile bunlar arasındaki temel farklılık ise,yakıt pillerinin enerji dönüşümünü yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece gerçekleştirebilmesidir. Diğerlerinde ise bu dönüşüm içlerinde depolanmış enerji ile sınırlıdır.
Yakıt pili 3 temel kısımdan meydana gelir. Anot(negatif elektrot),katot(pozitif elektrot) ve bu iki elektrot arasında kalan elektrolit(değişim zarı)
Elektron geçişine izin vermeyen elektrolit yalnızca hidrojen iyonunun geçişine ve katot elektrota ulaşmasına izin verir. Elektron ise harici bir devreden katoda iletilir. Katotta buraya gönderilen O2 elektrolit üzerinde gelen hidrojen iyon ve dış devreden gelen elektron reaksiyona girerek çevrim tamamlanır. Açığa ise emisyon olarak saf su çıkar. Dış devre üzerindeki elektron hareketi ise elektrik akımını oluşturur. Bu akım direkt(DC) bir akımdır. Reaksiyon sonucu ayrıca ısı enerjisi de elde edilir. Yakıt pillerinde reaksiyon hızını arttırmak için katalizör kullanımı da söz konusudur.
Yakıt pilinde anot, katot ve elektrolitten oluşan her bir birime “Membran Elektrot Grubu” (MEA)denir. Her bir MEA’den sağlanan elektriksel gerilim değeri 1.2 volt seviyelerinde iken bu değer gerçek değer olarak 1 voltun altına düşer. Yüksek gerilim elde etmek için ise her bir MEA seri olarak bağlanır ve istenilen gerilim düzeyine ulaşılır. Bu sisteme Yakıt Pili Ünitesi adı verilir. Daha yüksek akım elde etmek içinse temelde yüksek akımlara ulaşmak için reaksiyona giren molekül sayısını arttırmak gereklidir. Bu ise anot, katot ve elektrolit yüzeylerinin arttırılması ile sağlanır.
Isı makinelerinin verimini belirleyen Carnot verimi, yakıt pillerini sınırlamaz. Carnot verim ifadesinde; Verim:[(1-(T1/T2)]
T1 atık ısı sıcaklığı ve T2 maksimum çalışma sıcaklığı olup bu sıcaklık arttıkça verim artar.Ancak 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 1.229 volttur. Gerçekte ise bu gerilim, kayıplar nedeniyle 1 voltun altına düşmektedir. Dolayısıyla gerçek verimde teorik verimin altında olmaktadır.
Yakıt pilinin verimi yüksek olduğu kadar enerji yoğunluğu da yüksektir.2 MW’lık bir güç istasyonu 20 m²’den daha az bir alana kurulabilir.Bu durumda elektriğin tüketicilerin bulunduğu kentlerden uzakta üretilmesine gerek kalmamaktadır.Böylece santrallerden kullanıcılara kadar uzanan binlerce kilometrelik iletim hatlarına,aradaki transformatörlere de gerek kalmamaktadır. Ayrıca iletim hatlarında ortaya çıkan elektrik kayıpları da engellenmektedir.
Alkali sistemler oda sıcaklığında çok iyi çalışır ve diğer tüm yakıt sistemleri arasında en yüksek voltaj verimine sahiptirler.Ayrıca birçok malzeme ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC’ler uzun işletim ömrüne sahiptir.
AFC’ler güvenilir sistemlerdir ve küçük hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirler. Güç yoğunlukları 100-200 mW/cm² arasında değişmektedir. Maliyetler ise ulaştırma sektörü için 50/100 $/kW değerlerine ulaştırılmaya çalışılmaktadır.
Alkali Yakıt Pilinin Şematik Gösterimi
PAFC sistemleri yeryüzündeki uygulamalarda en çok gelişme gösteren sistemlerdir. Çoğunlukla apartmanlar,alışveriş merkezleri gibi yerlerde elektrik üretmek amacıyla kullanılmaktadırlar.PAFC’ler 250 W’dan 200 kW’a kadar,24 V’luk elektrik jenaratörü şeklinde ticari olarak piyasaya sunulma aşamasındadır.Yakıt olarak doğalgaz kullanan 200 kW’lık bir PAFC sisteminde yatırım maliyeti 287 $/kW’dır.
PAFC’ler sabit bir çıkış seviyesinde en iyi verimde çalışabilmektedirler. Hibrit bir sistem ile ivmelenmenin gerektirdiği yüksek güç gereksiniminin başka araçlarla karşılanması durumunda daha iyi performans göstermektedir. PAFC’lerin en güzel uygulamaları ağır yük taşıtları yada lokomotiflerde olacaktır.
Fosforik Asit Yakıt Pili Şematik Gösterimi
SOFC’ler kojenerasyon ünitesi olarak hem elektrik hem de ısının kullanılabileceği yerlerdir.1000 ºC dahi elde edilecek buhar ile bir buhar türbini çevrimini kombine olarak birleştirebilir. Böylece toplam sistem verimi %50-55 mertebesine ulaşabilmektedir. Şu anda hesaplanan yatırım maliyetleri 1500 $/kW mertebesindedir.
Diğer enerji üretim teknolojilerinden çok farklı olarak yakıt pili, yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan kullanılabilir elektrik ve ısı enerjisine dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır. Yakıt 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 benzerdir. Yakıt pili ile bunlar arasındaki temel farklılık ise,yakıt pillerinin enerji dönüşümünü yakıt ve oksitleyici sağlandığı sürece gerçekleştirebilmesidir. Diğerlerinde ise bu dönüşüm içlerinde depolanmış enerji ile sınırlıdır.
Yakıt pili 3 temel kısımdan meydana gelir. Anot(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 gönderilir. Anot 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 verir. Elektron ise harici bir devreden katoda iletilir. Katotta buraya gönderilen O2 elektrolit üzerinde gelen hidrojen iyon ve dış devreden gelen elektron reaksiyona girerek çevrim tamamlanır. Açığa ise emisyon olarak saf su çıkar. Dış devre üzerindeki elektron hareketi ise elektrik akımını oluşturur. Bu akım direkt(DC) bir akımdır. Reaksiyon sonucu ayrıca ısı enerjisi de elde edilir. Yakıt pillerinde reaksiyon hızını arttırmak için katalizör kullanımı da söz konusudur.
Yakıt pilinde anot, katot ve elektrolitten oluşan her bir birime “Membran Elektrot Grubu” (MEA)denir. Her bir MEA’den sağlanan elektriksel gerilim değeri 1.2 volt seviyelerinde iken bu değer gerçek değer olarak 1 voltun altına düşer. Yüksek gerilim elde etmek için ise her bir MEA seri olarak bağlanır ve istenilen gerilim düzeyine ulaşılır. Bu sisteme Yakıt Pili Ünitesi adı verilir. Daha yüksek akım elde etmek içinse temelde yüksek akımlara ulaşmak için reaksiyona giren molekül sayısını arttırmak gereklidir. Bu ise anot, katot ve elektrolit yüzeylerinin arttırılması ile sağlanır.
Isı makinelerinin verimini belirleyen Carnot verimi, yakıt pillerini sınırlamaz. Carnot verim ifadesinde; Verim:[(1-(T1/T2)]
T1 atık ısı sıcaklığı ve T2 maksimum çalışma sıcaklığı olup bu sıcaklık arttıkça verim artar.Ancak 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 1.229 volttur. Gerçekte ise bu gerilim, kayıplar nedeniyle 1 voltun altına düşmektedir. Dolayısıyla gerçek verimde teorik verimin altında olmaktadır.
Yakıt pilinin verimi yüksek olduğu kadar enerji yoğunluğu da yüksektir.2 MW’lık bir güç istasyonu 20 m²’den daha az bir alana kurulabilir.Bu durumda elektriğin tüketicilerin bulunduğu kentlerden uzakta üretilmesine gerek kalmamaktadır.Böylece 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.1. Alkali Yakıt Pili (AFC)
Bu yakıt pilinde elektrolit olarak KOH kullanılır. Alkali elektrolitlerde oksijen indirgeme kinetiği asit elektrolitlerden daha hızlıdır ve soy metal olmayan elektro katalizörlerin kullanılabilmesi AFC’yi ekonomik yapmaktadır. Ancak 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 sahiptirler.Ayrıca birçok malzeme ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC’ler uzun işletim ömrüne sahiptir.
AFC’ler güvenilir sistemlerdir ve küçük hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirler. Güç yoğunlukları 100-200 mW/cm² arasında değişmektedir. Maliyetler ise ulaştırma sektörü için 50/100 $/kW değerlerine ulaştırılmaya çalışılmaktadır.
Alkali Yakıt Pilinin Şematik Gösterimi
2. Fosforik 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 kullanılır. Pazara en yakın iki uygulama üzerinde durulmaktadır. Bunlar güç santralleri ve kojenarasyon üniteleridir. PAFC’inde soy metal elektro katalizör kullanmak gerekmektedir. Bu dezavantajına rağmen fosforik asit bir elektrolit olarak mükemmel ısıl, kimyasal ve elektrokimyasal kararlılık gibi avantajlar sağlamaktadır. Ayrıca 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 kullanılmaktadırlar.PAFC’ler 250 W’dan 200 kW’a kadar,24 V’luk elektrik jenaratörü şeklinde ticari olarak piyasaya sunulma aşamasındadır.Yakıt olarak doğalgaz kullanan 200 kW’lık bir PAFC sisteminde yatırım maliyeti 287 $/kW’dır.
PAFC’ler sabit bir çıkış seviyesinde en iyi verimde çalışabilmektedirler. Hibrit bir sistem ile ivmelenmenin gerektirdiği yüksek güç gereksiniminin başka araçlarla karşılanması durumunda daha iyi performans göstermektedir. PAFC’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 pilleridir. Hücre malzemelerinin çoğu özel seramik ve nikelden oluşmaktadır. Çalışma sıcaklığı 1000 ºC civarındadır. Yakıt 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 yerlerdir.1000 ºC dahi elde edilecek buhar ile bir buhar türbini çevrimini kombine olarak birleştirebilir. Böylece toplam sistem verimi %50-55 mertebesine ulaşabilmektedir. Şu anda hesaplanan yatırım maliyetleri 1500 $/kW mertebesindedir.
