Yakıt hücresi

Metanol yakıt hücresi. Yakıt hücresinin kendisi, resmin merkezindeki katmanlı kübik yapıdır.

Alışıla gelmiş elektrik üretim sistemleri yakıtın icindeki enerjiyi elektrige donusturmek icin ilk olarak yanma reaksiyonunu kullanır. Yanma reaksiyonunun verimli bir sekilde gerceklesmesi icin yakitin ve oksitleyicinin (oksijen) tam olarak karismasi gerekir. Bundan sonra elektrik enerjisi üretilene kadar bir dizi ara islem gereklidir. Her ara islem enerji kaybina yol acar dolayisila verimi düsürür.

Bir Yakıt hücresi nde ise yakitin enerjisinin dogrudan elektrik enerjisine dönüstürülmesi mümkündür.Yakit ile oksitleyici farkli bölmelerde yer alirlar, alisila gelmis üretim sistemlerinden farkli olarak karismazlar. Birlesmeleri ancak bu bölmeler arasindaki iyon ve elektron aktarimi ile gerceklesir.

Yakıt hücresi, yakitin enerjisini elektrokimyasal reaksiyon sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Dışarıdan sağlanan yakıt (anot tarafı) ve oksitleyici (katot tarafı) ile elektrik üretir. Bunlar bir elektrolit/elektrot unitesinde reaksiyona girerler. Genellikle, reaksiyona girecek olanlar hücreye giriş yaparlarken, reaksiyon ürünleri hücreyi terkeder. Yakıt hücreleri, gerekli yakıt ve oksitleyici akışı sağlandığı sürece sonsuza dek çalışabilirler…

Yakıt hücrelerinde, reaksiyona girecek olan maddeler sürekli olarak tüketilmesine karşın, pillerde kapalı bir sistem içinde elektrik enerjisi kimyasal olarak depo edilmiş haldedir. Ayrıca, pildeki elektrotlar reaksiyona girmelerine ve pil dolup boşaldıkça değişmelerine karşın, yakıt hücrelerinin elektrotları katalitik olup nisbeten kararlıdırlar.

Pek çok farklı yakıt / oksitleyici kombinasyonu mümkündür. Örneğin hidrojen hücresi, yakıt olarak hidrojen ve oksitleyici olarak oksijen kullanır. Diğer yakıtlar arasında hidrokarbonlar ve alkoller sayılabilir. Hava, klor, ve klor dioksit oksitleyici olarak kullanılabilir.

Yakıt hücresi tasarımı

Yakıt hücresinin çalışma prensibi, kataliz temeline dayanır; reaksiyona giren yakıtın elektron ve protonları ayrılır, elektrolit iletken olmadiğindan elektronlar bir elektronik devre üzerinden akmaya zorlanır ve böylece elektrik akımı üretilmiş olunur. Bir diğer katalitik prosesle de, geri toplanan elektronların protonlarla ve oksitleyici ile birleşerek atık ürünlerin (örneğin; su, karbon dioksit, ısı) açığa çıkar.

Hidrojen–Oksijen (proton değişim membranlı yakıt hücresi, PDMYH) tasarımı örneğinde, proton ileten bir polimer membran (elektrolit), anot ve katotu birbirinden ayırır. Proton değişim mekanizmasının tam anlaşılamadığı 1970’lerde bu hücre, “katı polimer elektrolitli yakıt hücresi” olarak adlandırılmaktaydı.

Anot tarafında, hidrojen, anot katalizöre yayınarak proton ve elektronlara ayrışır. Protonlar membran üzerinden katoda doğru ilerlerken, elektronlar da, membranın elektriksel olarak yalıtkan olması nedeniyle harici bir devre üzerinden akar ve elektrik akımı oluştururlar. Oksijen molekülleri katot katalizör üzerinde elektron ve protonlarla reaksiyona girerek su (bu örnekteki tek atık ürün) oluşturur.

Bu saf hidrojen tipi yakıt hücrelerine ilaveten, dizel, metanol ve kimyasal hidrürler gibi hidrokarbon yakıtlar da mevcuttur. Bu tip yakıt hücrelerinin atıkları karbon dioksit ve sudur.

Yakıt hücrelerinde çok çeşitli malzemeler kullanılır. Elektrot–bipolar plakalar genellikle metal (nikel veya karbon nano tüpler) olup daha yüksek verim eldesi için platin, nano demir tozu veya paladyum gibi bir katalizörle kaplanmıştır. Karbon kâğıt bunları seramik veya suni membrandan yapılmış elektrolitten ayırır.

Tipik bir PDMYH 0,6 ila 0,7 V arasında voltaj üretebilir. Değişik faktörler nedeniyle akım arttıkça voltaj azalır:

• Aktivasyon kayıpları
• Hücre bileşenleri ve iç bağlantıların direnci nedeniyle voltaj düşüşü
• Kütle taşınım kayıpları (reaksiyona giren bileşenlerin katalizör yüzeyinde azalması nedeniyle voltaj düşüşü)^[2]

İstenen miktarda enerji eldesi için, yakıt hücreleri seri veya paralel devreler halinde bağlanabilir. Seri devreler daha yüksek voltaj, paralel devreler daha yüksek akım çekilmesine olanak verir. Bu tür yapılar “yakıt hücresi yığını” olarak adlandırılır. Ayrıca, her hücreden daha güçlü akım çekebilmek için hücre yüzey alanı da arttırılabilir.

Tasarımda önemli faktörler

• Maliyet. 2002 yılında hücrelerin katalizör içeriği, bir kilowatt elektrik üretimi başına 1000 dolar idi. Hedef, içten yanmalı motorların kullanıldığı mevcut teknolojilerle rekabet edebilmek için bu maliyeti azaltmaktır. Pek çok şirket, hücrede kullanılan platin miktarını azaltmak da dahil olmak üzere maliyetleri düşürmenin yolunu bulmaya çalışmaktadır. Ballard Power Systems şirketi, karbonla takviye edilmiş katalizör kullanarak (performansta bir düşüş olmaksızın) platin kullanımında %30 a varan azalma (1 mg/cm² ilâ 0.7 mg/cm²) sağlamıştır.^[3]
• Proton Değişim Membranın (PDM) üretim maliyeti. Nafion® membranın günümüz fiyatı 400 avro/m² dir. Bu membran bir hidrokarbon polimer olan ITM Power membranı ile değiştirilerek fiyat yaklaşık 4 avro/m² ye getirilebilir. 2005 yılında, Ballard Power Systems şirketi, yakıt hücrelerinde DSM şirketince patenti alınan Solupor® (poröz polietilen film membran) kullanacağını duyurmuştur.^[4]

• PDMYH’nde su yönetimi. Bu tür yakıt hücrelerinde, membranın sürekli ıslak kalabilmesi için, buharlaşan su miktarı, üretilen su miktarına eşit olmalıdır. Eğer su fazla buharlaşırsa membran kurur, direnci artar ve nihayet çatlar ve bu da gaz kaçaklarına yol açar. Bu çatlaklarda oksijen ve hidrojen doğrudan birleşerek ısı açığa çıkarır ki bu da hücreye zarar verir. Eğer su çok yavaş buharlaşırsa, bu kez de elektrotlar fazla su ile boğulur, reaksiyona giren maddeler katalizöre ulaşamazlar ve reaksiyon durur. Yakıt hücresi şirketleri ve akademisyenler su yönetimine ilişkin metotlar geliştirme çabasındadırlar.^[5].
• Akış kontrolü. Yanmalı motorlarda olduğu gibi, reaksiyona giren madde ile oksijen arasındaki oranın kararlı olması, yakıt hücresinin verimli çalışması için zorunludur.
• Sıcaklık yönetimi. Hücrenin termal olarak aşırı yüklenme sonucu tahrip olmasını önlemek için, hücre içindeki sıcaklık dağılımı aynı olmalıdır. H₂ + O₂ → H₂O reaksiyonu, ekzotermik bir reaksiyon olduğundan bu husus özellikle önemlidir.
• Dayanıklılık, servis ömrü, ve bazı tür hücrelerin özel gereksinimleri. Sabit tip hücreler, -35 °C ile 40 °C sıcaklık aralığında genellikle 40.000 saatten fazla güvenilir şekilde çalışabilmeli, otomotiv uygulamalarında ise, aşırı sıcaklıklarda 5.000 saatlik (150.000 mil) bir ömüre sahip olmalıdır. Motorlar ayrıca -30 °C de çalışabilmeli ve yüksek güç/hacim oranına (yaklaşık 2,5 kW/litre) sahip olmalıdır.
• Anodun karbon monoksite karşı sınırlı toleransı.

Tarihçe

Yakıt hücresinin prensipleri ilk olarak Alman bilimadamı Christian Friedrich Schönbein tarafından 1838 de bulunmuş ve “Philosophical Magazine” in Ocak 1839 baskısında yayımlanmıştır.^[6] Bu çalışmadan esinlenen Galli bilimadamı William Robert Grove 1843 de, günümüz fosforik asit yakıt hücresinde kullanılanlara benzer malzemeler kullanarak ilk yakıt hücresini geliştirdi. 1955 de, General Electric şirketinde çalışan bir kimyacı olan W. Thomas Grubb, orijinal yakıt hücresi tasarımını, elektrolit olarak sülfonatlaştırılmış polisitiren iyon-değişim membranı kullanarak değiştirdi. Üç yıl sonra bir başka General Electric çalışanı olan Leonard Niedrach, hidrojenin okidasyonu ve oksijenin edüksiyonu için katalizör görevi gören, membran üzerine platin kaplama metodunu geliştirdi. Bu hücre daha sonraları ‘Grubb-Niedrach yakıt hücresi’ olarak bilinecekti. General Electric bu teknolojiyi NASA ile birlikte daha da geliştirdi ve Gemini uzay projesinde ilk ticari yakıt hücresi kullanıldı.

1959 da İngiliz mühendis Francis Thomas Bacon 5 kW lık durağan bir yakıt hücresi geliştirdi. Aynı yıl, Harry Ihrig liderliğindeki araştırmacılar 15 kW lık bir yakıt hücresi yaptılar. Bu sistem elektrolit olarak potasyum hidroksit, reaksiyona giren maddeler olarak da sıkıştırılmış hidrojen ve oksijen kullanıyordu. 1959’un sonlarına doğru Bacon ve arkadaşları bir kaynak makinasını çalıştırabilen 5 kW lık bir yakıt hücresi yaptılar. 1960’larda Bacon’ın patentleri ABD’nin uzay araştırmaları programında elektrik ve içme suyu sağlamada kullanıldı. Uzay aracının tanklarında hidrojen ve oksijen bol miktarda bulunduğu için yakıt bulma sıkıntısı söz konusu değildi.

UTC Power şirketi, hastane, üniversite, büyük işyerleri için sabit yakıt hücresi sistemleri üreten ilk şirket oldu. Günümüzde de 200 kW lık PureCell 200 sistemi bu şirket tarafından satılmaktadır.^[7] UTC Power, NASA’ya uzay araçlarında (Apollo ve uzay mekiği programları) kullanılmak üzere yakıt hücresi sağlayan tek şirket olup otomobil ve otobüslerde kullanılabilen yakıt hücreleri de geliştirmektedir. UTC Power, donma koşullarında dahi çalışabilen proton değişim membranlı ilk otomotiv yakıt hücresinin tanıtımını yapmıştır.

Yakıt hücresi türleri

Yakıt hücresi adı	Elektrolit	Elektriksel güç (W)	Çalışma sıcaklığı (°C)	Elektrik verimi	Durum
Metal hidrür yakıt hücresi	Sulu alkali çözelti (örn. KOH)	?	> -20 50%Ppik @ 0	?	Ticari + Araştırma
Elektro-galvanik yakıt hücresi	Sulu alkali çözelti (örn. KOH)	?	< 40	?	Ticari + Araştırma
Formik asit yakıt hücresi	Polimer membran (iyonomer)	50 W a kadar	< 40	?	Ticari + Araştırma
Çinko-hava pili	Sulu alkali çözelti (örn. KOH)	?	< 40	?	Seri üretim
Biyolojik yakıt hücresi	Polimer membran veya hümik asit	?	< 40	?	Araştırma
Yukarı akımlı biyolojik yakıt hücresi		?	< 40	?	Araştırma
Tersinir yakıt hücresi	Polimer membran (iyonomer)	?	< 50	?	Ticari + Araştırma
Doğrudan borhidrür yakıt hücresi	Sulu alkali çözelti (örn. KOH)	?	70	?	Ticari
Alkali yakıt hücresi	Sulu alkali çözelti (örn. KOH)	10 kW ilâ 100 kW	< 80	Hücre: %60–70 Sistem: %62	Ticari + Araştırma
Doğrudan metanol yakıt hücresi	Polimer membran (iyonomer)	100 kW ilâ 1 mW	90–120	Hücre: %20–30 System: %10–20	Ticari + Araştırma
Geliştirilmiş metanol yakıt hücresi	Polimer membran (iyonomer)	5 W ilâ 100 kW	(Reformer)250–300 (PBI)125–200	Hücre: %50–60 Sistem: %25–40	Ticari + Araştırma
Doğrudan etanol yakıt hücresi	Polimer membran (iyonomer)	140 mW/cm2	> 25 ? 90–120	?	Araştırma
Formik asit yakıt hücresi	Polimer membran (iyonomer)	?	90–120	?	Araştırma
Proton değişim membranlı yakıt hücresi	Polimer membran (iyonomer) (örn. Nafion® veya Polibenzimidazol fiber)	100 W ilâ 500 kW	(Nafion) 70–120 (PBI) 125–220	Hücre: %50–70 Sistem: %30–50	Ticari + Araştırma
Fosforik asit yakıt hücresi	Ergimiş fosforik asit (H3PO4)	< 10 MW	150-200	Hücre: %55 Sistem: %40	Ticari + Araştırma
Ergimiş karbonat yakıt hücresi	Ergimiş alkali karbonat (örn. sodyum bikarbonat NaHCO3)	100 MW	600-650	Hücre: %55 Sistem: %47	Ticari + Araştırma
Tüplü katı oksit yakıt hücresi			600-650		Araştırma
Proton seramik yakıt hücresi	H+-ileten seramik oksit	?	700	?	Araştırma
Doğrudan karbon yakıt hücresi	Pek çok farklı elektrolit	?	700-850	Hücre: %80 Sistem: %70	Ticari + Araştırma
Katı oksit yakıt hücresi	O2--ileten seramik oksit (örn. zirkonyum dioksit, ZrO2)	< 100 MW	700–1000	Hücre: %60–65 Sistem: %55–60	Ticari + Araştırma

Verimlilik

Yakıt hücresi verimliliği

Bir yakıtın verimliliği, o yakıttan ne kadar güç elde edildiğine bağlıdır. Daha çok güç eldesi demek, daha fazla akım çekmek anlamına gelir ki bu da aslında o yakıt hücresindeki kayıpları arttırır. Genel kural; “ne kadar fazla güç (akım) çekilirse, verim o kadar düşer” şeklindedir. Kayıplar genellikle hücrede voltaj düşüşü şeklinde kendini gösterir. Dolayısıyla, hücrenin verimi, voltajıyla orantılıdır. Bu nedenle, yakıt hücrelerinin polarizasyon eğrileri (akım-potansiyel diyagramları) hücre hakkında önemli bir göstergedir. 0,7 V ile çalışan bir hücrenin verimi yaklaşık %50 dir. Bu, hidrojenin enerji içeriğinin %50 si elektrik enerjisine dönüştürülebiliyor, geri kalan %50 de ısıya dönüşüyor demektir. Yakıt hücresi tasarımına göre, bir miktar yakıt reaksiyona girmeden de hücreyi terkediyor olabilir, ki bu da ilâve kayıplar demektir.

Standart şartlarda çalışan ve herhangi bir yakıt kaçağı olmayan bir yakıt ücresinde verim, reaksiyonun entalpisi esasına dayanmak üzere, hücre voltajının 1,48 ile bölünmesi yoluyla hesaplanabilir. Aynı hücre için, termodinamiğin ikinci kanununa dayanan verim gereği, voltaj 1,23 ile bölünebilir. (Bu voltaj, kullanılan yakıt ve hücrenin kalitesi ve sıcaklığı ile değişebilir). Bu rakamlar arasındaki fark, reaksiyonun entalpisi ile Gibbs serbest enerjisi arasındaki farktır. Bu fark her zaman ısı olarak ve bir miktar da elektriksel dönüşüm veriminde kayıplar olarak ortaya çıkar.^[2]

Uygulamada

Yakıt olarak oksijen yerine hava kullanıldığında, havanın sıkıştırılması ve nem eklemesi gibi, verimi düşüren ilave kayıplar da olacaktır. Öte yandan yakıt hücreleri, aşırı yüklenmelerde daha düşük verimle çalışırlar.

Yakıt hücresi ile çalışan bir taşıtın, yakıt tankından tekerleğe kadar olan verimi, düşük yüklenmelerde yaklaşık %45, ortalama %36 dır.^[8]. Dizel taşıtlar için karşılaştırılabilir değer %22 dir.

Üretim, taşınım ve depolamanın da hesaplamalara dahil edilmesi gerekir. Sıkıştırılmış hidrojenle çalışan yakıt hücreli taşıtların, güç santralinden tekerleğe kadar olan verimi %22, eğer hidrojen sıvı-hidrojen olarak depolanmış ise %17 dir.^[9]

Yakıt hücreleri, pillerdeki gibi enerji depolayamazlar. Fakat, güneş veya rüzgar enerjisi gibi kesiksiz kaynaklardan beslenen güç tesislerinde, elektroliz ve depolama sistemleri ile birleştirilerek enerji depolama sistemi oluştururlar. Bu tür tesislerin, “gidiş-dönüş verim” olarak adlandırılan toplam verimleri (elektrikten hidrojene ve tekrar elektriğe), şartlara bağlı olarak  %30 ile 50 arasındadır.^[10] Kurşunlu-asit pili çok daha ucuza %90 a yakın verimle çalışmasına rağmen, elektroliz/yakıt hücresi sistemi sonsuz miktarda hidrojen depolayabilir ve bu nedenle uzun süreli depolama için daha uygundur.

Katı oksitli yakıt hücreleri, oksijen ve hidrojenin yeniden birleşiminden egzotermik ısı üretirler. Seramik yaklaşık 800 °C a kadar ısınabilir. Bu ısı yakalanabilir ve su ısıtmada kullanılabilir. Bu durumda toplam verim %80-90 lara çıkar.

Yakıt hücresi uygulamaları

Yakıt hücrelerinden; uzay aracı, meteoroloij istasyonu, büyük parklar, kırsal alanlar, ve bazı askeri uygulamalar gibi yerleşim alanlarından uzak bölgelerde, çok kullanışlı güç kaynağı olarak yararlanılabilir. Hidrojenle çalışan bir yakıt hücresi az yer kaplar, hafif ve hareket eden parçası da olmadığı ve yanma da içermediği için ideal şartlarda %99,9999 güvenilirliğe ulaşılabilir.^[11] Bu da, 6 yıllık bir çalışma süresi içinde bir dakikadan daha az bir bozuk kalma süresine karşı gelir.

Yeni bir uygulama “Mikro Birleşik Isı ve Enerji” sistemi olup evler, ofisler ve fabrikalar için uygundur. Bu tür bir sistem, sürekli elektrik enerjisi üretir ve hatta ürettiği enerjinin fazlasını, tüketilmediği zamanlarda elektrik şebekesine satabilir, ve atık ısıdan sıcak hava ve sıcak su üretebilir. Enerjinin elektriğe dönüştürülemeyen kısmından ısı olarak yararlanılması nedeniyle düşük yakıt-elektrik dönüşümüne (%15-20) katlanılabilir. Isının bir kısmı egsozt gazlarıyla kaybedildiğinden verim %80 civarındadır. Fosforik asit yakıt hücreleri, “birleşik ısı ve enerji” ürünleri içinde en büyük payı oluşturur ve %80 e yakın verimle (%45-50 elektrik + ısı enerjisi) çalışırlar. Ergimiş karbonat yakıt hücreleri de bu tür uygulamalarda yer almaktadır.

Öte yandan, elektroliz sistemleri, kendileri yakıt depolamayıp harici depolama ünitelerine dayalı olarak çalıştıkları için, kırsal alanlar örneğindeki gibi büyük ölçekli enerji depolama sistemlerinde kullanılabilirler. Bu durumda, pillerin depolama ihtiyacını karşılamak için çok büyük boyutlarda olmaları gerekirken, yakıt hücreleri sadece büyük depolama ünitelerine ihtiyaç duyarlar.

Bu tür bir pilot program Washington eyaletindeki Stuart Island’da faaliyettedir^[12]: solar paneller hidrojen üreten elektroliz sistemini çalıştırmakta, hidrojen 500 galonluk tanklarda 200 psi da depolanmakta ve ReliOn yakıt hücrelerini çalıştırarak, şebekeye dahil olmayan yerleşim bölgesinin elektrik ihtiyacını karşılamaktadır.

Dünyanın ilk yakıt hücresi ile çalışan ve onaylı yolcu gemisi “HYDRA” dır. 6,5 kW güce sahip AYH tipi bir yakıt hücresi ile çalışan bu gemi Hamburg’ta inşa edilmiş ve bugüne dek büyük bir teknik problem yaşamaksızın yaklaşık 2,000 yolcu taşımıştır. AYH teknolojisinin avantajları arasında, sistemin -10 °C da dahi çalışabilmesi ve tuzlu ortama dayanıklı olması sayılabilir.

Önerilen uygulamalar

• Ana yük güç tesislerinde,
• Elektrikli ve hibrid (melez) araçlarda,
• Yedek güç olarak,
• Şebeke dışı güç kaynağı olarak,
• Laptop bilgisayarlarda (haftalar boyunca AC şarjının yapılamayacağı durumlarda),
• Küçük elektronik cihazlar için portatif şarj istasyonu olarak.

Hidrojen taşınımı ve yakıt ikmali

Halka açık ilk hidrojen istasyonu, Nisan 2003’de Reykjavik-İzlanda’da hizmete girmiştir. İstasyon, Reykjavik otobüs ağındaki, DaimlerChrysler tarafından üretilen üç otobüse hizmet vermekte olup Norsk Hydro şirketince üretilen bir elektroliz ünitesi ile kendi hidrojenini üretmektdir. Olası bir hidrojen kaçağının rahatça atmosfere karışabilmesi için istasyonun tavanı bulunmamaktadır.

Otomotiv endüstrisinin ilk hidrojen yakıt hücresiyle çalışan otomobil üretme teşebbüsü “GM 1966 Electrovan” dir. Bu araç, normal bir van taşıtın iki katı ağırlığında olup 70 mil/saat hıza erişebilmektedir.^[8][13]

Bir İngiliz şirketi olan Intelligent Energy, hidrojenle çalışan ilk motosikleti üretmiştir. Motosiklet, dört saat yolculuk için yeterli hidrojeni taşımakta, 100 mil seyahat edebilmekte ve 50 mil/saat hıza erişebilmektedir.^[14] Honda da yakıt hücreli motosiklet üreteceğini duyurmuştur.^[15][16]

Yakıt hücresi teknolojisine dayanan araba ve otobüs üretimine ilişkin pek çok sayıda araştırmalar ve prototip üretimleri sürmektedir. Honda, hidrojenli aracını 2008’de piyasaya süreceğini duyurmuştur.^[17] Type 212 denizaltısı, yüzeye çıkmak zorunda kalmadan deniz altında kalabilmek için yakıt hücresi kullanır.

Avrupa’daki Boeing araştırmacılarının ve endüstriyel ortaklarının gerçekleştirmeyi tasarladıkları, insanlı ve sadece yakıt hücresi ve hafif pillerle çalışan uçak projesi geçenlerde tamamlandı ve test aşamasına geçildi. Uçak, PDMYH / lityum-iyon pili hibrid sistemi ile çalışan bir motor ve bu motorun çevirdiği klasik bir pervaneye sahip.

Araştırma – Geliştirme

• Ağustos 2005: Georgia Institute of Technology’de bir grup araştırmacı, PDMYH’nin çalışma sıcaklığını 100 °C dan 120 °C a çıkartabilmek için triazol kullanıyor ve bunun, hidrojenin CO den arındırılması işlemini azalttığını iddia ediyorlar.^[18]
• Eylül 2005: Danimarka Teknik Üniversitesi’nde araştırmacılar, hidrojenin, tuz tableti içerisinde amonyak formunda depolanmasına ilişkin bir metot öne sürdüler ve bunun ekonomik ve güvenli bir depolama yöntemi olduğunu belirttiler.^[19]
• Ocak 2006: Virent Energy Systems şirketi, gliserol, sorbitol veya hidrojenle zenginleştirilmiş glukoz türevleri kullanarak belirli şeker/su karışımlarından hidojen üretimine ilişkin düşük maliyetli bir metot üzerinde çalışmaktadır.^[20] Böyle bir teknoloji, başarılı olduğu takdirde hidrojen ekonomisine ait altyapı (hidrojen depolama) problemlerini çözebilecektir.^[21]
• 2006: Angstrom Power şirketi, “mikro-hidrojen” adı altında, hidrojen yakıt hücresi teknolojisi kullanan taşınabilir cihazlar piyasaya sürdü.^[22][23]
• Mayıs 2007: Purdue Üniversitesi araştırmacıları, aluminyum ve galyum alaşımı kullanarak sudan hidrojeni ayıran bir metot geliştirdiler. İddialarına göre, “istenildiği anda ve istenildiği kadar hidrojen üretilebilecek”.

 

Yakıt Hücresinin Tarihçesi

Yakıt hücreleri, verimli, ekonomik, sessiz ve çevre ile uyumlu enerji üretiminde kullanılan, gelecek kuşaklarda çok daha yaygın olarak kullanılacağı tahmin edilen önemli yaklaşımlardan biridir. Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji; düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür.

Yakıt hücreleri ilk defa 19. Yüzyılın sonunda geliştirilmiştir. İlk pratik yakıt hücreleri Apollo uzay programı için 1960’larda yapılmıştır, günümüzde de hala uzay projelerinde yakıt hücrelerinin kullanımı devam etmektedir. 1839 yılında Sir William Grove seyreltik sülfirik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elktrotdan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmıştır. Daha sonraki yıllarda Grove, önceki çalışmasında kullandığı sistemden elli tanesini birleştirerek oluşturduğu bir sistemde daha fazla elektrik akımı üretmeyi başarmıştır.

Şekil. 1.1. 1839 yılında Sir William Grove tarafından geliştirilen yakıt hücresi.

Yakıt hücresi terimi ilk olarak 1889’da Ludwing Mond ve Charles Langer tarafından Grove’un çalışmaları tekrarlanarak ortaya konmuştur. Mond ve Longer oksijen kaynağı olarak havayı, hidrojen kaynağı olarak da endüstriyel kömür gazını kullanarak 1.5 watt güç üreten ve %50 çalışma verimine sahip bir yakıt hücresi geliştirmişlerdir. 1894’de Wilhwm Oswalt kömür türevli yakıtlar ile çalışan bir elektrokimyasal hücre yapmıştır. 1932’de Francis T. Bacon ilk başarılı yakıt hücresinin geliştirmiştir. 1952’de Bacon ve arkadaşları 5 kW’lık güç üreten bir yakıt hücresi yapmışlardır. Aynı yılın sonlarında Harry Karl Ihring 20 beygir gücünde bir yakıt hücrsiyle çalışan traktör dizayn etmişlerdir. Bu buluş günümüzdeki modern yakıt hücresiyle çalışan makinaların başlangıcı olmuştur.

1960’lı yıllarda NASA yakıt hücresi teknolojisine oldukça ciddi yatırımlar yapmıştır. Yakıt hücreleri hafif olmaları ve yan ürün olarak su üretmelerinden dolayı uzay uygulamaları için düşünülmeye başlanmıştır. Uzay çalışmalarında yakıt hücrelerinin kullanılması; yüksek verim, düşük gürültü ve titreme, yüksek enerji yoğunluğu gibi avantajlar sağlamaktadır. İlk olarak Gemini uzay aracında General Elektrik tarafından üretilen proton değişim membran yakıt hücresi kullanılmıştır (Şekil 2). 1970’li yıllarda General Motor “Elektrovan” adlı yakıt hücresiyle çalışan bir araç geliştirmiştir. 1970’li yıllarda devlet destekli yakıt hücresi araştırmaları başlamış ve bu amaçla Los Alamos Ulusal Labaratuvarı ve Brookhaven Ulusal Labaratuvarları kurulmuştur.

Şekil 2.  Gemini uzay aracında kullanılan proton değişim membran yakıt hücresi.

Yakıt Hücresi Çalışma Prensibi ve Türleri

Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji; düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür. Yakıt hücreleri düşük gürültü seviyesinde, az kirletici ürün açığa çıkararak yüksek verimle çalışabilmektedirler, tek yan ürün saf sudur. H₂; katottaki oksijenin indirgenmesiyle birlikte anotta yükseltgenir. Bunun yanı sıra yakıt hücresinde metanol, su ve CO₂’ye veya CO; CO₂’ye dönüşebilmektedir.

Yakıt hücrelerinin en önemli uygulaması uzay araçlarında başlıca enerji kaynağı olarak kullanılmalarıdır. H₂-O₂ yakıt hücrelerinin insanlı uzay araçlarında kullanımı; içme ve soğutma amaçlı olarak saf suyun üretimini sağlamaktır. Nüfusu yoğun olan bölgelerde bile yakıt hücrelerini baz alan güç istasyonları kurulabilmektedir. Yakıt hücrelerinin; düşük emisyon ve gürültü seviyeleri ile H₂’nin temel enerji kaynağı olması durumundaki yüksek verimlilikleri nedeniyle yakın gelecekte önemli rol oynayacağı tahmin edilmektedir.

Yakıt hücre sistemleri genellikle kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar (Şekil 3),   1. Bazik yakıt hücreleri, 2. Erimiş karbonat yakıt hücreleri, 3. Fosforik Asit yakıt hücreleri, 4. Katı oksit yakıt hücreleri, 5. Proton değişim membran yakıt.

Şekil 3. Yakıt Hücresi Türleri

Yakıt Hücresi Türleri

Proton değişim membran yakıt hücreleri

Bu sistemlerde proton geçirgen polimerik membran elektrolit olarak kullanılmaktadır. Kullanılan membranlar yaklaşık 50mm kalınlığındadır. Elektrot reaksiyonları asidik yakıt hücre sistemlerindeki gibidir. Katalizör olarak Pt içeren karbon elektrotlar proton değiştirici membranın iki yüzeyine preslenmiştir. Bir diğer yaklaşım ise hidrojeni difüzleyen ve diğer gazların geçişine izin vermeyen paladyum ya da paladyum-gümüş membranların kullanılmasıdır. Proton değişim membran yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 80-100°C’dir.

H₂ +2Pt –> 2 Pt-H

2 Pt-H –>2 Pt + 2H⁺+ + 4e^–

2H₂ –> 4H+ + 4e^– anot reaksiyonu

4e- + 4H+ + O₂ –> 2H₂O           katot reaksiyonu

2H₂ + O₂ –> 2H₂O hücre reaksiyonu

Bazik yakıt hücreleri

Bazik yakıt hücrelerinde KOH elektrolit olarak kullanılmaktadır (ağırlıkça 30-45%). Bu hücreler oda sıcaklığında çalışırlar ve diğer yakıt hücreleriyle karşılaştırıldıklarında daha yüksek voltaj verimi elde edilir.

2H₂ (g) + 4OH^– (l) ®2H₂O (l) + 4e^– anot reaksiyonu

O₂ (g) + 2 H₂O (l) + 4e^– ®4OH^– (aq)         katot reaksiyonu

2H₂ (g) + O₂ (g) ® 2H₂O (l)                   hücre reaksiyonu

Bazik ortamda karbondioksit karbonata dönüştüğünden dolayı, gaz girişinde CO₂ bulunmasına izin verilmemektedir. Poroz nikel anot ve katotla kullanılmaktadır. Bazı uygulamalarda Pt katalizör elektrotlar üzerine konularak kullanılmaktadır. Bazı hücreler yaklaşık 200°C’de ve yüksek basınçlarda çalışabilmektedir. AFC sistemleri uzay gemilerinde, elekrikli araçlarda ve denizaltılarda kullanılmaktadır. Bu tür yakıt hücrelerinde uzun çalışma ömrüne ulaşılabilmektedir. Kullanılan pahalı katalizörlerden, hidrojenin sıvılaştırılması ve sıkıştırılması için ekstra enerji tüketiminden ve saf hidrojenin pahalı olmasından dolayı bu tür yakıt hücreleri yüksek maliyetlidir.

Erimiş karbonat yakıt hücreleri

MCFC sistemlerinde elektrolit olarak LiAlO₂ matrisi üzerine tutuklanmış erimiş lityum-potasyum karbonat karışımı kullanılmaktadır. Sistemde meydana gelen reaksiyonlar:

H₂ (g) + CO₂^{– 2} ® CO₂ (g)+ H₂O + 2e^– anot reaksiyonu

1/2O₂ (g) + CO₂ (g) + 2e^– ® CO₂^{– 3} katot reaksiyonu

2H₂ (g) + 1/2O₂ (g) ® H₂O                   hücre reaksiyonu

Bu tür yakıt hücre sistemlerinin çalışma sıcaklığı 500-700°C arasındadır. Bu sıcaklıklarda elektrotları aktifleyen Pt gibi katalizörler kullanılmaktadır. Hidrokarbonlar yakıt olarak kullanıldıklarında hücreye direk olarak beslenirler ve burada hidrojen içeren gazlara dönüşürler. Yakıt hücresinin dayanımı önemli bir problemdir. Hücrenin yapımında kullanılacak düşük maliyetli materyallerin bulunması da karşılaşılan önemli bir zorluktur.

Fosforik asit yakıt hücreleri

Bu hücrelerde ince silikon karbür matris içindeki fosforik asit elektrolit olarak kullanılmaktadır. Asidik ortamda meydana gelen reaksiyonlar:

H₂ (g) ® 2H⁺ (aq) + 2e^– anot reaksiyonu

1/2O₂ (g) + 2H⁺ (aq)  + 2e^– ® H₂O         katot reaksiyonu

2H₂ (g) + 1/2O₂ (g) ® H₂O                   hücre reaksiyonu

Kullanılan elektrolit kararlıdır ve bu hücreler karbondioksit içeren hava ile de çalışabilirler. Sistemin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 170-200°C arasındadır. Oldukça yüksek çalışma sıcaklıkları katalizörlerin CO ile zehirlenmesini azaltır. Sistem oldukça düşük maliyetlidir ve yaklaşık olarak 40000 saat çalışma ömrüne ulaşılabilir.

Katı oksit yakıt hücreleri

Bu tür yakıt hücrelerinde elektrot ve elektrolit arası kararlı itriyum oksit ya da zirkonyum gibi katı oksit seramik bir materyalden yapılmıştır. Bu materyaller 800°C’nin üstünde O^2- iyonlarını iletirler. Eğer hücre 900°C civarında çalışıyorsa meydana gelen reaksiyonlar:

aH₂ (g) + bCO (g)+ (a+b) O^2- ® bCO₂ (g)+ aH₂O + 2(a+b) e^– anot reaksiyonu

½(a+b) O₂ (g) + 2(a+b) e^– ® (a+b) O^2- katot reaksiyonu

½(a+b) O₂ (g) + aH₂ (g) + bCO (g) ® aH₂O(g) + bCO₂ (g) hücre reaksiyonu

Tablo 1. Yakıt hücresi tipleri

Hücre Özellikleri	Yakıt Hücresi Türü
Polimer Elektrolit Membran	Fosforik asit	Karbonat	Katı oksit
Elektrolit	İyon değiştirici membran	Fosforik asit	Bazik karbonat karışımı	itriyum oksit ya da zirkonyum
Çalışma sıcaklığı (°C)	80	200	650	1000
Yük taşıyıcı	H+	H+	CO3=	O=
Elektolit şekli	Katı	İmmobilize sıvı	İmmobilize sıvı	Katı
Hücre donanımı	Karbon-metal	Grafit	Paslanmaz çelik	Seramik
Katalizör	Platinyum	Platinyum
Yakıt hücresi verimi %	<40	40-45	50-60	50-60