Yakıt Hücresi

Burada yakıt hücresi enerji üretiminin prensip ve potansiyel faydaları özetlenmektedir. Yakıt hücresi prensibi 1839'da İngiliz fizikçi William R. Grove tarafından keşfedildi. Bir yakıt hücresi iki elektrot arasına sıkıştırılmış bir elektrolitten oluşur. Elektrolit, elektronları bloke ederken pozitif iyonların (protonların) geçmesine izin veren özel bir yapıyı sahiptir. Hidrojen gazı anot adı verilen bir elektrottan geçer ve bir katalizör yardımıyla elektronlara ve hidrojen protonlarına ayrılır (Şekil 3.15).

2 = 4 + 4 (3.1)

Şekil 3.15. Yakıt pili reaksiyon.

Protonlar, katot adı verilen diğer elektroda elektrolit içinden akarken elektronlar harici bir devreden akar ve böylece elektrik oluşturur. Hidrojen protonları ve elektronları katottan oksijen akışı ile birleşir ve su üretir.

+ 4 + 4 = 2 (3.2) Böylece yakıt hücresinin genel reaksiyonu aşağıdaki gibi olmaktadır;

Bir hücreden üretilen voltaj, yakıt hücresi çalışma koşullarına ve yakıt hücresine bağlı yük boyutuna bağlı olarak 0 ila 1 volt arasındadır [107]. Yakıt hücresi voltajının tipik değeri yaklaşık 0.7 volttur. Daha yüksek voltaj elde etmek için, birden fazla hücre seri olarak istiflenir. Toplam yığın voltajı, ortalama hücre voltajı ile çarpılan hücre sayısıdır. Diğer elektrikli cihazlar gibi, yakıt hücresinde elektrik dirençleri vardır. Direnç ile ilişkili kayıp, ısı şeklinde dağıtılır. Başka bir deyişle, yakıt hücresi reaksiyonundan ısı açığa çıkar.

Yakıt hücrelerinin içten yanmalı motorlara ve akülere göre birçok avantajı vardır. Mekanik enerji üretmek için, İYM önce yakıtı yüksek sıcaklıkta oksijenle yakarak yakıt enerjisini termal enerjiye dönüştürür. Termal enerji daha sonra mekanik enerji üretmek için kullanılır. Termal enerji söz konusu olduğu için, dönüştürme işleminin verimliliği Carnot Çevrimi ile sınırlıdır. İYM'nin aksine, yakıt hücreleri yakıt enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür ve maksimum verimliliği Carnot Çevrimi sınırlamalarına tabi değildir. Yakıt hücreleri tarafından daha yüksek enerji dönüşüm verimliliği elde edilebilir. Yakıt olarak hidrojen kullanılırsa, yakıt hücresi reaksiyonunun sonucu su ve ısıdır. Bu nedenle, yakıt hücrelerinin sıfır emisyonlu bir jeneratör olduğu düşünülmektedir. Hidrokarbon veya azot oksit gibi kirleticiler oluşturmazlar. Pil ayrıca kimyasal enerjiyi doğrudan elektriğe dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır. Ancak, akü reaktanları dâhili olarak saklanır ve tükendiğinde akünün şarj edilmesi veya değiştirilmesi gerekir. Yakıt hücresi reaktanları harici olarak depolanır. Oksijen tipik olarak atmosferik havadan alınır ve hidrojen, yakıt alabilen yüksek basınçlı veya kriyojenik tanklarda depolanır. Yakıt depolarına yakıt ikmali yapmak bataryaları şarj etmekten çok daha az zaman gerektirir [108].

Esas olarak kullanılan elektrolit tipiyle ayırt edilen farklı yakıt hücresi türleri vardır. Hücre malzemesi, çalışma sıcaklığı ve yakıt çeşitliliği gibi hücre karakteristiklerindeki farklılıklar, her yakıt hücresi tipini farklı uygulamalar için uygun hale getirir. Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücrelerinin (PEMYH) otomobil uygulamaları için uygun olduğu bilinmektedir. PEM yakıt hücreleri yüksek güç yoğunluğuna, katı bir elektrolite, uzun ömre ve düşük korozyona sahiptir. PEM yakıt hücreleri, daha güvenli çalışmayı sağlayan ve ısı yalıtımı ihtiyacını ortadan kaldıran 50 – 100◦_{C sıcaklık aralığında çalışır. Polimer elektrolit membran elektronik}

bir yalıtkandır ancak hidrojen iyonlarının mükemmel bir iletkenidir. Tipik membran malzemesi, sülfonik asit gruplarının (SO3-H+) bağlandığı bir florokarbon

omurgasından oluşur. Membran hidratlandığında, sülfonik gruptaki hidrojen iyonları (H+_{) hareketlidir. Membran üreticilerine ve membran versiyonlarına bağlı olarak,}

membranların özellikleri farklıdır. Membranın kalınlığı 50 ila 175 mikron arasında değişir, bu da yaklaşık 2 ila 7 kağıt kalınlığındadır. Membran gözenekli grafit gibi yüksek iletkenliğe sahip bir malzemeden yapılmış iki elektrot (anot ve katot) arasına sıkıştırılır. Reaksiyon hızını arttırmaya yardımcı olmak için anot ve katodun yüzeyine az miktarda platin uygulanır. Üç bileşen (anot, elektrolit ve katot), Şekil 3.16'da gösterilen ve tipik olarak bir milimetreden daha az olan tek bir membranlı elektrolit düzeneği (MED) oluşturmak üzere birlikte yalıtılır.

Şekil 3.16. Membranlı elektrolit düzeneği.

MED, gözenekli karbondan yapılmış iki destek katmanı ile bir araya getirilmiştir. Taşıyıcı tabakanın gözenekli yapısı, her reaktan gazın MED üzerindeki katalizör bölgesine etkili bir şekilde dağılmasını sağlar. Taşıyıcı tabakanın dış yüzeyi, hem reaktif gaz akış alanı hem de akım toplayıcı görevi gören akış alanı plakalarına bastırılır. Plaka, grafit veya kompozit malzemeler gibi hafif, güçlü, gaz geçirimsiz, elektron ileten bir malzemeden yapılmıştır. Akış alanı plakasının diğer tarafı bir sonraki hücreye bağlanır. Bir yakıt hücresi yığınında istiflenen hücre sayısı, farklı uygulamalarda değişen yığının güç gereksinimine bağlıdır. Çalışma durumuna bağlı olarak, tek bir yakıt hücresi nominal voltaj 0,7 volt olan 0 ila 1,0 volt arasında bir

voltaj sağlayabilir. Yakıt pillerinin tipik karakteristikleri normal olarak Şekil 3.14'de gösterilen, hücre akım yoğunluğuna karşı hücre voltajının (birim hücre aktif alanı başına akım) bir grafiği olan bir polarizasyon eğrisi şeklinde verilir. Gerçek voltaj ve yakıt hücresinin ideal voltajı arasındaki farklar, hücredeki kaybı temsil eder. Şekil 3.14'de gösterildiği gibi, yakıt hücresinden daha fazla akım çekildikçe, yakıt hücresi elektrik direnci, verimsiz reaktan gaz taşıması ve düşük reaksiyon oranı nedeniyle voltaj azalır. Düşük voltaj yakıt hücresinin düşük verimliliğini gösterdiğinden, düşük yük (düşük akım) çalışması tercih edilir. Ancak, bu yakıt hücresi hacmini ve ağırlığını artıracaktır. Ayrıca, sık sık yük değişiminin talep edildiği otomobil uygulamalarında düşük yükte sürekli çalışma pratik değildir. Şekil 3.17'de gösterilen polarizasyon eğrisi belirli bir çalışma koşulu içindir. Eğri, farklı basınç, sıcaklık, reaktan kısmi basıncı ve membran nemi dâhil olmak üzere farklı çalışma koşullarına göre değişir. Polarizasyon eğrisi üzerindeki basınç etkilerinin bir örneği Şekil 3.18'da gösterilmektedir.

Şekil 3.18. Farklı çalışma basınçları için yakıt hücresi polarizasyonu.