Klasik Bir PEM Elektrolizör Hücresinin Bileşenleri

Klasik bir PEM elektrolizörün iç yapısı ve temel elemanlar Şekil 3.4’te görülmektedir. Bir PEM elektrolizör hücresi yapısının genel hatları, üzerine daha çok çalışma yapılan ve daha çok bilinen yakıt piline benzemektedir. Ancak PEM elektrolizörün kullanım alanına ve çalışma şartlarına göre iç dizaynı ve elemanlarda değişikliğe gidilebilmektedir.

Bir PEM elektrolizörde dıştan içe doğru sıkıştırma plakaları, akış alanları, difüzyon tabakası ve MEG bulunmaktadır. Hücreyi dıştan çevreleyen ve sızdırmazlığın sağlandığı hücre çerçevesi ve sızdırmazlık elemanları da her iki yarı hücrede de bulunması gerekmektedir.

57 3.7.1 Membran Elektrot Grubu (MEG)

Bir PEM elektrolizördeki performansı etkileyen en önemli elemanlardan birisi MEG olmaktadır. Reaksiyonların gerçekleştiği katalizör tabakaları ve iyonik iletkenliği sağlayan polimerik membranı içermektedir. Bir PEM elektrolizörde reaksiyon hızını belirleyen en önemli etken anot katalizör tabakasında gerçekleşen oksijen eldesi reaksiyonu olmakta ve elektrotlarda meydana gelen aktivasyon aşırı-potansiyelin hemen hemen tamamına anot elektrodu neden olmaktadır. PEM yakıt pillerinde veya doğrudan metanol yakıt pillerinde katalizörler karbonla desteklenmekte ve bu sayede yüzey alanı genişletilerek hücre performansı arttırılmaktadır. Ancak PEM elektrolizörlerde anot potansiyeli karbonun korozyonuna sebep olduğundan alışılmışın dışında genellikle desteksiz katalizörler kullanılmaktadır.

Katalizör tabakası membranın üzerine sıcak baskı gibi yöntemlerle yapıştırılarak MEG imal edilmektedir. PEM elektrolizörlerin performansında membranın da önemli görevleri olmaktadır. Teflon iskelete bağlı sulfonik asit grupları membranın yapısını oluştururken aynı zamanda hidrojen iyonunun taşınmasını da sağlamaktadır. Esasında membran üzerinden sadece hidrojen iyonları taşınmamakta, her bir hidrojen iyonu anottan katoda geçerken yanında 3,5 - 4 tane de su molekülünü de sürüklemektedir. Taşınım mekanizmasında protonlar, hidrojen iyonları şeklinde hareket etmeyip hidronyum (H3O⁺) iyonları şeklinde bir asit grubundan diğerine atlamaktadır. Taşınımın olabilmesi için polimerik membranın nemli olması gerekmektedir. Polimer membranın yapısı kuru ve nemli halde iken Şekil 3.5'de verilmiştir. Membran kuru halde iken sulfonik asit grupları arasında hemen hemen hiç bağ bulunmamaktadır. Bu durumda hidronyum iyonlarının bir gruptan diğer gruba atlaması çok zor olmakta ve performansta düşüş görülmektedir. Membran nemli veya tamamen yaş olduğu durumda ise sulfonik asit grupları arasında yine sulfonik asit gruplarından geçitler oluşmakta ve hidronyum iyonları bir asit grubundan diğerine geçerken bu yolları kullanmaktadır.

Bir PEM elektrolizördeki mekanik olarak en zayıf eleman MEG olmakta, basınç farklarına ve mekanik etkilere karşı desteklenmesi gerekmektedir. Özellikle yüksek basınçlı PEM elektrolizörlerin dizaynında MEG’in basınca karşı uygun bir şekilde desteklenmesine özen gösterilmelidir. Hücrede kullanılan MEG’in mekanik dayanımını arttırmak için daha kalın membranlar kullanılabilmektedir. Kalın Membran

58

kullanımının avantajları olduğu gibi dezavantajları da olabilmektedir. Kalın membran kullanımı gaz difüzyonunu azaltmakta, mekanik dayanımı arttırmaktadır. Buna karşılık iyonların geçeceği yol uzadığından ohmik kayıplar artmakta ve hücre performansı düşmektedir.

Şekil 3. 5 Polimerik membranın yapısı ve taşınım mekanizması. a) membranın kuru haldeki b) membranın nemli haldeki yapısı [65]

3.7.2 Difüzyon tabakası

PEM elektrolizörlerdeki difüzyon tabakasının birçok fonksiyonu bulunmaktadır. Reaktantların katalizör tabakasına ulaşmasını sağlarken aynı zamanda da açığa çıkan ürünlerin de katalizör tabakasından uzaklaştırılmasını sağlamaktadır. Gazların ve suyun daha etkili hareketini sağlayacak yüzey gerilimini elde etmek için uygun malzeme seçimi yapılması ve gerekirse teflon vb. malzemelerle kaplanması gerekmektedir. Aynı zamanda kimyasal türlerin daha iyi transportu için uygun gözenekliliğe sahip olması gerekmektedir. PEM elektrolizörler için difüzyon tabakasının gözenekliliği üzerine çalışmalar yapılmış ve en uygun gözenekliliğin % 30-50 arasında olduğu belirlenmiştir [66].

Difüzyon tabakası aynı zamanda katalizör tabakası ile çift kutuplu plaka arasında elektrik iletiminden sorumlu olduğundan dolayı akım dağıtma plakası olarak da adlandırılabilmektedir. Elektriğin katalizör tabakasında mümkün olduğunca çok

59

noktaya aynı anda iletilebilmesi için difüzyon tabakasının katalizör tabakasına mümkün olduğunca çok noktadan temas etmesi gerekmektedir. Üzerinden elektrik akımı geçtiği için elektriksel iletkenliğinin de yüksek olması gerekmektedir. Bu nedenle difüzyon tabasının malzemesi genellikle metallerden seçilmektedir.

PEM elektrolizörlerin anot yarı hücresinde yüksek pozitif potansiyel olduğundan dolayı anot difüzyon tabakası korozyona karşı da dirençli malzemeden seçilmelidir. Titanyumun korozyona karşı yüksek direncinden dolayı, difüzyon tabakası olarak genellikle mikro gözenekliliğe sahip titanyum kullanılmaktadır.

Elektrolit olarak kullanılan proton geçirgen membranın ince olması ve polimerik malzemeden imal edilmesinden dolayı mekanik olarak zayıf olmaktadır. Bu nedenle MEG’e en yakın eleman olan difüzyon tabakası basınç değişimlerine ve mekanik etkilere karşı membran destek görevi de yapması gerekmektedir.

PEM elektrolizörlerin katot bölgesinde reaksiyon sonucu iki hidrojen çekirdeğinden bir hidrojen molekülü açığa çıkmaktadır. Hidrojen iyonları bazen katalizör tabakasında değil de daha ilerideki difüzyon tabakasında birleşmektedir. Hidrojen atomları difüzyon tabakasının içlerine, hatta bazen bulk malzemenin içerisine nüfüz ederek hidrojen molekülünü oluşturmakta ve bu sırada oluşan basınç nedeniyle malzemeler zarar görmektedir. Bu olaya hidojen kırılganlığı adı verilmektedir. Titanyum gibi kırılgan malzemeler hidrojenin bu özelliğinden daha fazla etkilenmektedir. Bu nedenle PEM elektrolizörlerin ömrünü uzatmak amacıyla zirkonyum veya niyobyum gibi malzemelerden imal edilmiş difüzyon tabakaları da kullanılmaktadır [67].

3.7.3 Akış alanı, çift kutuplu plaka ve sıkıştırma plakası

Doktora çalışması boyunca farklı şekillere ve farklı dizaynlara sahip akış alanları denenmiştir. Dairesel şekle sahip akış alanları, aktif alan üzerine eşit basınç uygulayabilme açısından daha avantajlı olmaktadır. Ancak MEG aktif alanı arttıkça hücrelerde suyun homojen olarak dağıtılması zorlaşmaktadır.

60

PEM ve doğrudan metanollü yakıt pillerinde farklı akış alanı dizaynları denenmiştir. En yaygın olan akış alanı paralel serpantin kanallara sahip akış alanları olmaktadır. PEM yakıt pillerinde reaktant gazların aktif alan boyunca homojen dağıtılması ve kanal boyunca basınç düşmesinin ihmal edilebilecek seviyede olması için farklı akış alanları kullanılmaktadır. Ayrıca katotta reaksiyon sonucu oluşan suyun kanalları tıkamadan hücre dışına atılması gerekmektedir. PEM elektrolizörlerde de suyun aktif alana homojen bir şekilde dağıtılması, elektro-osmotik sürüklenme ile katoda geçen suyun da en hızlı bir şekilde hücre dışına alınması gerekmektedir. Şekil 3.6’da PEM elektrolizörlerde kullanılan farklı akış alanlarına örnekler verilmiştir.

Yakıt pillerinde akış alanları genellikle çift kutuplu plakalar üzerine açılmakta ve bunun için de kalın malzeme kullanılmaktadır. PEM elektrolizörlerde çift kutuplu plakalar genellikle titayum malzemeden seçilmektedir. Ancak titanyumun pahalı olması, işlenmesinin hem zahmetli hem de maliyetli olmasından dolayı ince tiatnyum plaka ve titanyum ızgaralar akış alanı olarak kullanılmaktadır.

Sıkıştırma plakaları, doğru basıncın aktif alan üzerine homojen bir şekilde uygulanmasını sağlamaktadır. Yüksek basınçlı PEM elektrolizörlerde sıkıştırma plakaları eğilmenin önüne geçmek için daha kalın tutulmaktadır.

61

Şekil 3. 6 PEM elektrolizörlerde kullanılan farklı akış alanları