Yakıt hücresi

Yakıt hücre sistemleri; teknolojilerinin hızlı gelişmesi, yüksek verimlilikleri, çevreyi kirletici gazların sıfır veya düşük yayılımlı olması ve esnek yapıları gibi özelliklerinden dolayı, son yıllarda dağıtılmış üretim uygulamalarında büyük bir potansiyel göstermeye başlayan bir alternatif enerji kaynağıdır. Bunlar, kimyasal enerjinin doğrudan elektrik enerjisi ve ısıya dönüştüğü elektrokimyasal enerji dönüşüm sistemi olup bir tür bataryadır. Yakıt olarak, genellikle ya önceden elektrolizör tarafından üretilen veya dışarıdan satın alınan hidrojen kullanılmaktadır. Ancak metan, doğal gaz, etanol, metanol ve son dönemlerde benzin kullanabilen

85

yakıt pilleri denemelerinden de olumlu sonuç alınmıştır [85]. Burada, hidrojen ve oksijen arasındaki elektrokimyasal reaksiyon ile ortaya elektrik, saf su ve ısı çıkar. İlk yakıt hücresi ünitesi, 1842 yılında William Robert Grove tarafından keşfedilip geliştirilmiştir [86]. Yakıt hücreleri, dizel motorlardan daha yüksek verim ve daha düşük emisyon sunan ancak birçok uygulama için çok pahalı olması muhtemeldir. Yakıt hücrelerinin çalışması temel kimyasal prensibe dayanmaktadır. Hidrojen gazı (H2) ve oksijen gazı (O2) reaksiyona sunulan bu süreçte tepkimenin şekliyle su

oluşur. Şekil 3.38’de yakıt hücre çalışma prensibi şeması görülmektedir.

2H2 + O2 2H2O (3.15)

Şekil 3.38. Yakıt hücre çalışma prensibi şeması [87]

Yakıt hücresinin plaka yüzeyi akım şiddetini, plakaların seri bağlanması ise gerilimi etkiler. Birçok plakanın yan yana bağlanması ile elde edilen sisteme stak (yığın) adı verilir. Staklar kendi aralarında seri ve paralel bağlanmaları ile istenilen gerilim DC olarak elde edilir. Yakıt hücreleri, boyutlarının küçük olması, yüksek verimle çalışmaları ve atık ısılarının kullanılabilir olmasının yanı sıra aşağıdaki özellikleri nedeniyle de diğer güç sistemlerine göre daha üstündürler [88].

• Modüler yapıda olmaktadır.

• Kullanıcıya yakın inşaa edilebilmektedir.

• Yakıt olarak saf hidrojenin yanısıra doğal gaz, metanol veya kömür gazları kullanılabilmektedir.

• Sessiz çalışmaktadır.

• Minimum seviyede kükürt oksit ve azot oksit emisyonları içerir.

• İnşa edilecek alanda çok az çevre kısıtlamaları gerektirmeleri ve kısa sürede inşaa edilebilmektedir.

86

Yakıt hücrelerinin temel yapısı, bir çift elektrot ve bir elektrolitten meydana gelmiştir. Şekil 3.39’da yakıt hücresi kimyasal reaksiyonu görülmektedir.

Şekil 3.39. Yakıt hücresi kimyasal reaksiyonu [89]

Yakıt hücreleri, kararlı durumda güvenilir güç sağlamak için iyi enerji kaynaklarıdır. Ancak onlar elektrik yüklerinin istediği hızda cevap veremezler. Bu problem, onların yavaş iç elektrokimyasal ve termodinamik cevaplarından kaynaklanmaktadır [90].

Yakıt hücreleri normalde güç elektroniği cihazları ile çalışır. Yakıt hücre üreticileri ve güç elektroniği ara yüz tasarımcıları arasında yeterli bilgi alışverişi olmaması bir problemdir. Birbirleri hakkında yeterli bilgi olmadan güç elektroniği devre tasarımcıları, bazı seri direnç ile bir sabit gerilim kaynağı olarak yakıt hücresi alırken, yakıt hücre üreticirileri, normalde eşdeğer empedans olarak güç elektroniği arayüzü modellemektedir.

Biraz farklı özelliklere sahip alkali (Alkaline Fuel Cell, AFC), proton değişimli membran (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), fosforik asit (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), erimiş karbonat (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) ve katı oksitli yakıt hücre (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) teknolojileri vardır. Temel belirgin fark, yakıt hücresinin tasarım ve çalışma özellikleri üzerinde çok kapsamlı etkileri olan elektrolittir. Doğru akım ve hücre gerilimine sahip tüm yakıt hücreleri seri hücre sayısına bağlı olarak gerilim oluşturur. Bundan başka gerilim, yük ve yakıt hücresinin zamanla yıpranmasıyla değişir. AC gerilim elde etmek için güç düzenleyici; DC/AC dönüşüm, akım, gerilim ve frekans kontrolüne sahip olmalıdır. Yakıt hücresi dış ortama güç sağlamanın yanında, sistemde bulunan pompalar, fanlar

87

ve kontrol sisteminin enerji ihtiyacını da karşılar. Tablo 3.9’da farklı tiplerdeki yakıt hücresinin kimyasal reaksiyonları verilmiştir.

Tablo 3.9. Farklı tiplerdeki yakıt hücresinin kimyasal reaksiyonları [87] Yakıt

Hücre Tipi Anot Reaksiyon Hareket _İyonu Katot Reaksiyon PEMFC ve

PAFC H2 2H+ +2e- H+ 1/2O2+2H++2e- H2O AFC H2 2H+ +2e- OH- 1/2O2+H2O+2e- 2OH- MCFC H2O+ _CO ଷ ଶି _H2O+CO2+2e- _CO ଷ ଶି _1/2O2+CO2+2e- _CO ଷ ଶି

SOFC H2+O2- H2O+2e- O2- 1/2O2+2e- O2- CO2: Karbondioksit, e-: Elektron, H2O: Su , COଷଶି: Karbonat iyonu, H2: Hidrojen OH- H+_{: Hidroksi iyonu, H}+_{: Hidrojen iyonu, O}

2 : Oksijen, O2-: Oksijen iyonu

Yakıt hücresi sistemi; yakıt işleme ünitesi, güç üretim ünitesi, güç dönüşüm ünitesi ve kontrol ünitesi olmak üzere dört temel üniteden oluşmaktadır. Şekil 3.40’da yakıt hücresi sistemi genel yapısı görülmektedir.

Şekil 3.40. Yakıt hücresi sistemi genel yapısı

Yakıt işleme ünitesi; yakıtın yakıt hücresine gönderilmesi öncesinde hazırlandığı, eğer doğrudan hidrojen kullanılmıyorsa, kullanılan yakıttan hidrojenin ayrıştırıldığı, saflaştırılıdığı ve koşullandırıldığı ünitedir.

Güç üretim sistemi; güç üretiminin gerçekleştirildiği ünite olup bir veya birden fazla yakıt hücresi modülünden meydana gelebilmektedir.

Güç dönüşüm ünitesinde, hücrede üretilen DC gerilim ticari kullanım için düzenlenir (regüle edilir) veya evirici yardımı ile AC gerilime dönüştürülür.

88

Kontrol sistemi ünitesinde, sistemin tüm işleyişi denetlenir ve kontrol edilir. Bu noktada en önemli kontrol; başta nemlendirme, yakıt hücresi sıcaklık kontrolü, yakıt- hava debi kontrolü, gerilim-akım çıktı kontrolü, atık ısı, atık su kontrolü, soğutucu akışkan kontrolü vb. gibi sıralanabilir.

Ayrıca pek çok yakıt hücresi sisteminde fan, kompresör, nem ünitesi, ısı değiştiriciler vb. yardımcı elemanlar da bulunmaktadır.

Tablo 3.10’da farklı yakıt hücre teknolojilerinin çalışma sıcaklığı ve elektrik verimliliğinin karşılaştırmaları verilmiştir.

Tablo 3.10. Önemli yakıt hücre teknolojileri karşılaştırmaları [87]

Elektrolit PEMFC _(PEFC) PAFC MCFC SOFC

Çalışma Sıcaklığı (°C) 80 200 650 800-1000

Elektrik verimliliği (%) 30-35 35-40 45-55 45-55

Tablo 3.10’da görüldüğü gibi PEM yakıt hücresinin çalışma sıcaklığı 80 °C olup en düşük seviyededir. Katı oksit yakıt hücresinin çalışma sıcaklığı ise 800-1000 °C ile en yüksek seviyededir. PEM yakıt hücresinin doğalgaz tabanlı elektrik verimliliği % 30-35 ile en düşük seviyede ve erimiş karbonat ve katı oksit yakıt hücrelerinin verimleri ise % 45-55 arasındadır.

Elektrolizör ve yakıt hücresinin, sistemin çalışma şartlarına göre DC baraya bağlanması durumlarındaki blok diyagramı Şekil 3.41.’de görülmektedir.

89

Şekil 3.41’te görüldüğü gibi, elektrolizör için gerekli olan enerji buck (düşürücü) DC-DC dönüştürücü üzerinden DC baradan alınmaktadır. Elektroliz sonucu elde edilen hidrojen kompresör yardımıyla H2 tankına alınmaktadır. Sistemin çalışma

şartlarına göre enerji ihtiyacı olduğunda yakıt hücresi, enerji üretimi için gerekli olan hidrojeni H2 tankından alacak ve üretilen enerji boost (yükseltici) DC-DC

90

4. YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLI MİKRO ŞEBEKELERDE