Fuel cell

Fuel cell nedir? Fuel cell çeşitleri nelerdir?

Yakıt ve saf oksijenin ya da havanın elektrokimyasal tepkimesi sonucu elektrik üreten sistemlere yakıt pili (fuel cell) denir. Yakıt pili iki elektrot, elektrolit(membran) ve katalizörlerden oluşur. Yakıt pilleri temiz, sessiz, hareketli parça içermeyen ve yüksek verimli sistemlerdir. Yakıt pilleri ile sıradan pillerin en önemli farkı şarj edilmeye gerek olmamasıdır, yakıt beslendiği sürece kesintisiz enerji üretebilir.

Yakıt pilinin anot tarafına yakıt olarak hidrojen ve hidrojen karışımlı yakıtlar, katot tarafına oksitleyici hava gönderilir. Membran hidrojenin protonlarını geçirir, elektronlar ise elektrik devresinden geçerek katoda iletilir. Elektrik üretimi tam bu kısımda gerçekleşir. Katot tarafında oksijen hidrojen iyonlarını tutar ve tepkime tamamlanır. Tek bir hücreden ortalama 1 volt elektrik gerilimi elde edilir, daha çok elektrik üretebilmek için hücreler birbirine seri bağlanır.

Yakıt pillerinde hidrojen ve hidrojen karışımlı yakıtlar kullanılabilir (doğalgaz, metanol, kömür gazları vb.) ancak verimi en yüksek olan hidrojendir. Yakıt olarak hidrojen kullanıldığında su buharı çıkar ve emisyon değeri “0”a yakındır fakat yine de çok az seviyelerde NOx emisyonları görülmektedir. Diğer yakıtlardan CO2 ve diğer zararlı gazlar çıkar. Membran tipine göre 6 çeşit yakıt pili vardır.

1.Proton Exchange Membran Fuel Cells (Proton Değişim Zarlı Yakıt Pilleri)

Yakıt olarak hidrojen, oksitleyici olarak ise havanın oksijenini kullanır. CO2 karşı toleranslı olduğundan atmosferik hava kullanılabilir. PEMFC’nin en önemli özelliği düşük sıcaklıklarda çalışmasıdır, ortalama olarak 80℃’de çalışır. Bundan dolayı çalışmaya başlaması için ısınma süresi daha kısadır. Otomotiv taşıtları için en hızlı yakıt pilidir. Korozif özellikte olmayan elektrolit kullanılır. Bu elektrolit katı ve kuru olduğundan sıvı kullanma ve yenileme sorunları ile karşılaşılmaz. Yapıları kompakt ve dayanıklıdır. Düşük basınçlarda çalışırlar ve güç yoğunlukları yüksektir. Her bir hücre 1,1 Volt üretir.

2.Alkaline Fuel Cells (Alkali Yakıt Pilleri)

İlk geliştirilen teknolojidir ve NASA uzay araçlarında elektrik ve su üretiminde kullanılmıştır. Verimleri %70’dir. Çalışma sıcaklığı 65-220℃ aralığındadır. Elektrolit olarak sulandırılmış sodyum hidroksit (NaOH) veya potasyum hidroksit kullanılır. Hidroksil iyonları (OH-) katottan anoda doğru ilerler. Anotta hidrojen gazı, OH- iyonlarıyla tepkimeye girer ve su oluşurken elektronlar da açığa çıkar. Anotta açığa çıkan bu elektronlar, harici bir devreye elektrik enerjisi sağladıktan sonra katoda dönerler. Her bir hücre 1,1 – 1,2 V gerilim üretir.

3.Phosphoric Acid Fuel Cells (Fosforik Asit Yakıt Pilleri)

Fosforik asit yakıt pilleri asidin düşük iletkenliğe sahip olması nedeniyle diğer tip yakıt pillerinden daha yavaş gelişmişlerdir. Elektrolit olarak silikon karpit ortamındaki sıvı H3PO4 kullanılmaktadır. Verimleri elektrik enerjisi üretiminde %40, kojenerasyonda %85 düzeylerine ulaşmıştır. 150-220 ℃ sıcaklık aralığı ve 1 atm basınçta çalışır. Çalışma sıcaklığının yüksek olması sebebiyle, elektrik ve ısı enerjisi gereksinimine bağlı olarak, elektrik kadar sıcak su sağlama potansiyeli de vardır. Her bir hücre 1,1 Volt üretir.

4.Direct Methanol Fuel Cells (Doğrudan Metanol Yakıt Pilleri)

Çalışma prensibi ve özellikleri PEM yakıt pillerine benzemektedir. Tek farklılık yakıt olarak hidrojen elde edilebilen metanol veya alkol kullanılmasıdır. Bu yakıt pili, metanolü direkt olarak ek dönüştürücü gerekmeksizin elektriğe dönüştürür. Anot tarafına saf metanol (CH3OH), su buharı veya su ile karıştırılarak verilir. Anotta sulu ortamda metanol oksitlenerek CO2, hidrojen iyonları ve elektronlar meydana gelir. Elektronlar harici bir yoldan devrelerini tamamlayarak elektrik enerjisi üretirler. Katottan su açığa çıkar. Verimleri %40 civarındadır. Kullanım alanı cep telefonları ve diz üstü bilgisayarlar gibi elektronik aletlerdir. Her bir hücre 0,2-0,5 Volt gerilim üretir.

5.Molten Carbonate Fuel Cells (Erimiş Karbonat Yakıt Pilleri)

Erimiş karbonat yakıt pilleri diğer yakıt pillerinden çok farklı bir işletim sistemine sahiptir. Membranı, gözenekli lityum-alüminyum matris içinde tutulan erimiş alkali potasyum lityum karbonattır. Bu elektrolit 650 °C çalışma sıcaklığına sahiptir bu sebeple değerli atık ısı, proses ısısı ve kojenarasyon amaçlı olarak kullanılabilir.  Bu piller katot tarafından oksijen ve karbondioksit gazı ile beslenir. Bu şekilde karbonat (CO3-) oluşumu sağlanır. İyonların iletimini sağlayan bu karbonattır.CO3- iyonları elektrolit içinden anoda geçer ve burada hidrojenle tepkimeye girerek su, karbondioksit ve elektronları açığa çıkarır. Katotta havadan alınan oksijen ve anotta tarafından açığa çıkan karbondioksit, elektronlarla tepkimeye girerek karbonat iyonları yeniden meydana getirir. Bu iyonlar daha önce boşalan elektroliti tekrar doldurur.

6.Solid Oxide Fuel Cells (Katı Oksit Yakıt Pilleri)

Elektrolit olarak katı seramik kullanır. En yaygın kullanılan seramik itriya stabilize zirkonyadır(Y-TZP). Çalışma sıcaklığı çok yüksek yüksektir, katalizörlere ihtiyaç duymaz. Bu sebeple diğerlerine göre daha düşük maliyetlidir. Katı oksit yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklığı 800-1000 °C arası değişmektedir. Yakıt pili yüksek sıcaklıktan dolayı yüksek kaliteli ısı üretir. Pilin bu sıcaklıkta çalışmasının nedeni itriya- stabilize zirkonya seramiğinin yüksek sıcaklıklarda iyon iletkenliğinin kanıtlanmış olmasıdır.