Yakıt Pili nedir -Yakıt pilinin çeşitleri uygulama alanları – Yakıt Pili Nasıl çalışır – Yakıt Pilinin Maliyeti

1. YAKIT PİLLERİ NEREDEN GELMİŞTİR

İlk yakıt pili 1839’ da Galli bir hakim ve bilim adamı olan sir William Grove tarafından üretildi. 1960’ larda ABD uzay programında geliştirilmiş olup atmosfere sadece saf su bırakan ve patlamalı olmayan bir kimyasal elektriksel enerji çevirimi sağlayan ve hiç bir hareketli parçası olmayan solar enerjiden ucuz ve nükleer güçten daha az riskli olan yakıt pillerini seçene kadar pratik bir batarya türü olarak yakıt pilleri hiç önemsenmedi.
Yakıt pilleri “Gemini” ve “Apollo” mekiklerinde kullanılmış olup, şu anda bile uzay istasyonları için elektrik ve su sağlamaktadır.

2. YAKIT PİLİNİN ÖNEMİ

Yeni bir bin yıla girerken yakıt pilinin dünya çapında araçların kullanımında inanılmaz şekilde artacağı ve enerji için dünya çapında rağbet göreceği tahmin ediliyor. Enerji stoklarımızı korumak, çevremizi korumak ve yaşam kalitesini düzeltmek için dünyanın enerji ihtiyaçları için teknolojiden yeterince yararlanmak gereklidir. Arabalar, evler ve enerji santralleri için yeterli çok yönlü bir teknolojiye ihtiyaç vardır. Çevremize verilen zararları tersine döndürmeye yardım edebilecek yeterince temiz bir teknoloji gereklidir. O teknoloji yakıt pilleridir.
Yakıt hücreleri, konvansiyonel güç üretim sistemlerine göre aşağıdaki üstünlüklere sahiptir.

– Çevresel kirlilik oranı düşüktür.
– Enerji üretim verimi oldukça yüksektir.
– Farklı yakıtlarla çalışabilir. (Doğal gaz, LPG, Metanol ve Nafta)
– Egzoz ısısı yeniden kazanılabilir.
– Modüler yapıdadır.
– Montaj süresi kısadır.
– Çok yüksek miktarda soğutma suyu ( deniz suyu gibi ) gerektirmez.
– Güvenilir bir sistemdir.
– İşletim karakteristiği uygulamada kolaylıklar sağlar.
– Geleceğe yönelik olarak gelişme potansiyeli oldukça yüksektir.
– Katı atık ve gürültü problemi yoktur.

3. YAKIT PİLLERİNİN ÇEŞİTLERİ

Elektroliti dışında tüm yakıt pillerinin dizaynı neredeyse aynıdır. Kullanılan elektrolit malzeme çeşidine göre 5 çeşit yakıt pili tanımlayabiliriz.

1- Değişken proton membranlı yakıt pilleri
2- Fosforik asitli yakıt pilleri
3- Alkalin yakıt pilleri
4- Eriyik karbonatlı yakıt pilleri
5- Yoğunlaştırılmış oksitli yakıt pilleri

Özel uygulama alanlarında her yakıt pili teknolojisi kendini çekici kılan uygulama özelliklerine sahiptir. Pil pazarı büyük güç ünitelerinden düşük watt uygulamalarına taşımada büyük değişiklikler gösterir. Her pazar payı farklı bir enerji teknolojisi yaklaşımına uyum gösterir.
Halen ticari teknolojide geçerli tek pil çeşidi fosforik asit pilleridir. Bunlar savunma bölümü yakıt pili geliştirme programında kullanılmaktadır. Fosforik asit teknolojisi yüksek uygulama derecelerinde sıvı asiti kontrol edebilmek için düşük dereceli destek sistemlerinde, çok pahalı materyallerin kullanımında ve daha iyi durumda muhafazasında başarıyla uygulanır.
Alkalin pil teknolojisi uzay mekiği uygulamalarında ve NASA’ nın diğer uygulamalarında geniş kullanım alanı bulur. Alkalin yakıt pilleri genelde iletim için kullanılırlar. Fakat havada bulunan karbon oksitlere karşı çok duyarlı olduğu için yer uygulamalarında kullanmak zordur.
Eriyik karbonat teknolojisi daha yüksek derecelerde çalışırlar ve en çok 1-20 MV kapasite aralığına uygundur. Büyük güç santralleri ile yeniden üretme tesislerinde kullanılırlar. Dünyada sınırlı sayıda uygulama alanları vardır.
Yoğunlaştırılmış oksijen teknolojisi de yüksek derecelerde kullanılır. Bu yüksek işlem dereceleri sayesinde tasarı ve uygulama dalları çok özendiricidir. Plakaları soğutmak için basınçlı katot havasını kullanır. Yakıt pili dizileri sıcaklık, su ve basıncı kontrol eden ve sistemin kendi başına çalışmasını sağlayan pek çok alt sisteme sahiptir. Bu alt sistemler; su pompaları, su arıtma istasyonları, hava kompresörleri, soğutma pompaları ve radyatörler olabilir. Bir yakıt pilinin gücü ve verimi çok parklı değerlerde olabilir.
Bir çoğunun ebatları küçük olup 0,5 ve 0,9 volt arasında DC elektrik üretirler. Bazı piller düşük ve orta voltajlı sistemlere daha yüksek voltaj üretmek için bir grup halinde “yığın” adı ile çalıştırılabilirler. Yakıt pili üretim tesisinde güç bölümünün en önemli kısmı “yığın” kısmıdır. Diğerleri ise yakıt alıcısı ( işleyicisi ) ve güç düzenleyicisidir.

PARAMETRE ALKALİN YAKIT PİLİ FOSFORİK ASİT YAKIT PİLİ YOĞUNLAŞMIŞ OKSİTLİ YAKIT PİLİ ERİYİK KARBONATLI YAKIT PİLİ DEĞİŞKEN PROTON MEMBRANLI YAKIT PİLİ
ÇALIŞMA DERECESİ (°C) 80 – 250 150 – 220 650 – 1000 600 – 700 50 – 120
PLATİN KULLANIMI Yok Var Yok Yok Var
GÜÇ YOĞUNLUĞU ( W/kg ) 35 – 105 120 – 180 15 –20 30 –40 350 – 1500
VERİM
( % ) 42 – 73 40 – 47 45 – 50 50 – 57 40 – 60
ATIK ISI KULLANIMI Yok Sınırlı Var Var Yok
Hz YAKIT KAYNAĞI Saf Hz İşlenmiş Metanol, Doğal Gaz Doğal Gaz Doğal Gaz İşlenmiş Metanol, Doğal Gaz

Şekilde Yakıt pillerinin karşılaştırılması gösterilmiştir.
Yakıt alıcısı hidrojence zengin doğal gaz veya diğer yakıtlardan karbondioksit ve belirli miktarda karbonmonoksit çekerler. Yakıt pillerinde hidrojen sağlanması için yakıt işlemenin 3 farklı yolu vardır.

1- Buhar metodu : Buharla hafif hidrokarbon yakıtlarının reaksiyonundan oluşan basit bir metottur.
2- Parçalı oksidasyon : Yakıtın tamamen yanmamasıdır. Daha ağır hidrokarbon sıvıları kullanımı ve üretimi içerir.
3- Gazlaştırma : Kömürü oksijen ve buharla yüksek sıcaklıkta reaksiyona sokarak kömürü gazlaştırır.

En son olarak DC elektriği AC elektriğe çeviren ve güç düzenleyicisi denilen bir çevirici bulunur. Bu kısım aynı zamanda yükün ihtiyacına göre farklı değerlerde regüleli ve akım çıkışları sağlar.

4. BİR YAKIT PİLİ NASIL ÇALIŞIR

Tükenmez ve hiç bir zaman şarj olmaya ihtiyacı olmayan yakıt pilleri yakıtın enerjisini direk olarak elektro kimyasal yolla elektrik enerjisine çevirirler. Anot yakıtlanmayı ve katot oksitlenmeyi sağladığı zaman yakıt pilleri sürekli bir batarya bir batarya gibi çalışır. Bir batarya gibi sessiz ve hareketsizdir. Fakat bataryadan iki yolla farklıdır. Tehlikeli maddeler içermez ve kirlemeksizin yenilenebilir. Bir yakıt kaynağı olarak kullanılır.
Yakıt pilinin çalışması için hidrojen – oksijen veya hidrojen – hava gereklidir. Bir yakıt pilinin merkezi iki elektrot arasına yerleştirilmiş elektrolitten meydana gelmiştir. Hava, katot yüzeyi üzerinden geçer. Elektronlar katoda doğru bir dış devre yoluyla taşınırken hidrojen iyonları da elektrolit yoluyla oksijen elektroda göç ederler. Katotta oksijen ve hidrojen iyonları ile elektronların reaksiyona girmesiyle su elde edilir. Elektronların dış devre yoluyla akışı ile elektrik üretir. Yakıt kullanımındaki yüksek verim nedeniyle, bu elektro kimyasal işlemden çıkan yan ürünler sıcaklık, ısı, buhar halinde su ve anottan katoda elektron akışından doğan elektrik akımıdır.

Yakıt pilleri önce enerjilerini gerçek yanma çekline çıkarırlar. Türbin ile bu enerjiyi mekanik ( hareket ) enerjisine çevirirler. Sonunda mekanik enerjiyi dinamo kullanarak elektrik enerjisine çevirirler.

Yakıt pilleri; yakıtı ve okside eden maddeyi kimyasal olarak yanma olmaksızın bir araya getirerek geleneksel yanmadaki enerji kayıplarını önler ve kirliliğine neden olmaz.
Farklı elektrolid maddelerinden üretilen yakıt pillerinin farklı çeşitleri vardır.
Her bir yakıt pili türü, farklı potansiyel kullanışına sahiptir. Elektro kimya yakıt pillerin proton değişim membranlı veya onun dolu polimeri üzerindeki gelişmiş mekanizmasına odaklanmıştır. Proton değişim membranlı yakıt pilleri 85 °C civarındaki alçak bir sıcaklık oranıyla işletilmiştir. Onlar yüksek güç yoğunluğuna sahiptirler ve derhal dolu kapasiteyle çalışabilir ve değişken güçlü göstergelerle ayarlanabilirler. Değişken proton membranlı yakıt pilleri aydınlatma araçları, uzak mesafeler. İçin dağıtılmış güç üterim birimleri ve deşarj edilebilir pillerin yenilenmesi gibi daha küçük uygulamalarda da ilk adaydır.
Yakıt hücresi çalışma hücresi suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakıt hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir.

• Hidrojen elektrotta,

H2 ® 2H+ + 2e-

• Oksijen elektrotta,

½ O2 + 2H+ + 2e- ® H2O

• Toplam reaksiyon,

H2 + ½ O2 ® H2O

5. YAKIT PİLİNDE NE TÜR YAKITLAR KULLANILABİLİR

Bütün dünyada, güç üretimi, ısınma ve ulaşım amaçları için kullanılan fosil yakıtlar, çevreye verdiği zararlar bilindiği halde halen enerji üretiminin önemli bir bölümünü teşkil etmektedir. Daha verimli çalışan santraller ve daha az karbondioksit ( CO2 ) üreten otomobillere rağmen atmosferdeki CO2 oranı, diğer zararlı sera gazları ve partiküler madde oranı giderek artmakta ve dünyanın sıcaklık ortalamasının yükselmesine neden olmaktadır. Gerekli olan temiz, çevreye zarar vermeyen ve verimli enerji dönüşüm ( veya üretim ) teknolojisinin bulunmasıdır. Açıklanan bu çevresel etmenleri karşılayan ve alevli yanmaya alternatif olarak yakıt pilleri gösterilmektedir.
Yakıt pilleri yenilenebilir enerji kaynaklarına enerji farklılığı ve geçiş yükseltimi sağlanabilir. Yer yüzünde en çok bulunan element olan hidrojen direk kullanılabilir. Yakıt pilleri aynı zamanda hidrojen içeren yakıtlar metanol, etanol ve doğal gaz içeren yakıtlar ile benzin ve dizel yakıtları bile kullanabilir. Hidrojen içeren yakıtlar genellikle hidrojeni ayrıştıran bir “yakıt ayrıştırıcısına” ihtiyaç duyarlar. Enerji aynı zamanda biyokütle, rüzgar, güneş enerjisi veya diğer yenilenebilir kaynaklardan da sağlanabilir. Yakıt pilleri günümüzde topraktan elde dilen yakıtlar ve atık su arıtma üniteleri de olmak üzere bir çok farklı yakıtı çalıştırmaktadır.

Şekilde fosil yakıtlarla çalışan yakıt pili görülmektedir.

6. YAKIT PİLLERİNİN UYGULAMA ALANLARI

Çevreye zarar vermeyen, elektrik üretim verimi oldukça yüksek sesiz çalışan atık olarak sadece su, elektrik akımı ve ısı üreten yakıt pillerinin, çevre kirliliğinin oldukça yüksek boyulara ulaştığı günümüzde ulaştırma sektöründe de yerini alması yakın gözükmektedir.
Dünya çapında hala gösterim testleri devam etmekte olan ve yakıt pilleri ile çalışan otobüs, tren, otomobil ve denizaltı gibi taşıt uygulamaları da mevcuttur.
Kullanılan elektrot tipine göre çeşitli isimler alan yakıt hücre tipleri arasında birim hacim başına üretilen güç miktarı en yüksek olan değişken proton membranlı yakıt pili oldukça sık kullanılmaktadır.

Şekilde PEM yakıt pili üzerindeki çalışmalar görülmektedir.

Yakıt pilli otomobiller diğer akülü araçlara göre daha çekicidir. Akülü araçların avantajlarını sunmaları yanında, yakıt pilli araçlar daha çabuk yakıt ikmali yapıp ikmal aralığını artırırlar. Yakıt pilli arabalar, içten yanmalı motorlu araçlara göre daha az bakım gerektirirler ve daha sessizdirler. Aynı zamanda standart bir motora göre daha az hareketli parçası bulunur. Bir değişken proton membranlı yakıt pilinin işletim ömrü, araba ömründen daha uzundur. Yakıt hücreli araba hurdaya çıktığı zaman tümüyle geri kazanım mümkündür.
Ayrıca yakıt pilleri hidrojen kullanımı ile araçlarda sıfır emisyon ve diğer yakıtların kullanımı ile de yaklaşık sıfır emisyon sağlanabilir. Yakıt pilleri bir ızgara – güçlü aküsü olan araçtan daha etkili çalışma sağlayabilir. Yakıt pilli arabalar türlü gazların oluşumundan daha az bir sistem genişliği sağlarlar. Çevresel etmenler göz önüne alındığında enerji verimi ve çıkan zararlı madde oranları karşılaştırıldığında yakıt pilleri en iyi durumdadır.

Enerji
(KWh/100 km) Karbondioksit
( CO2 ) Nitrit İyonu
( NO2 ) Sülfit
(SO2) Karbon
( CO ) VOC
BENZİN 76 19,6 65 8 620 210
DİZEL 63 16,7 95 19 103 50
DOĞAL GAZ 57 12 4 < 1 < 1 < 1
DEĞİŞKEN PROTON MEMBRANLI YAKIT PİLİ (METANOL) 34 7 1 < 1 < 1 < 1
DEĞİŞKEN PROTON MEMBRANLI YAKIT PİLİ (HİDROJEN) 28 6,2 1 1 < 1 < 1
SIFIR EMİSYONLU ARAÇ 12,5 106 2,5

Şekilde Taşıt enerji dönüşümü sistemleri enerji ve emisyon karşılaştırması gösterilmiştir.

Planlamalara göre Kanada’ da yakıt pilli otobüslerin 20. yüzyılda ticari olarak kullanılacağı, yani diğer geleneksel teknolojiler ile eşit üretim ve kullanım maliyetine sahip olacağı öngörülmektedir. 1993 yılında Kanada’da yakıt pilli şehirlerarası transit otobüs üretimi ile ilgili başlayan çalışmalar halen devam etmektedir.
Bazı demir yolu şirketleri ve lokomotif üreticileri gelecek 10 – 15 yıl içerisinde ticari yakıt pilli lokomotif üretimi planlamaktadır. Özellikle uzun mesafeler arasında ( çöl veya geniş ova ) ve elektrikli tren ulaşımının elektrik direkleri, enerji kablo ve taşıma maliyetlerinin arttığı durumlarda yakıt pilleri tek başına enerji üreten bir sistem olarak alternatif gözükmektedir.
Denizaltı uygulamalarında ise, nükleer enerji ile çalışan denizaltıların artan maliyetleri ve çevre tehditleri, dizel motorlu denizaltıların gürültü ve belirli aralıklarla yüzeye çıkma zorlukları nedeniyle yakıt pilleri ile çalışan denizaltılar üreticiler için oldukça cazip gelmektedir.
Yakıt pillerinin ilk uygulamalarını meydana getiren uzay aracı çalışmaları devam etmektedir. Bu tür uygulamalar oldukça ilginçtir: uzay aracı güneş görebildiği sürece enerjisini güneş pilleri ile sağlamakta ve artan enerjinin bir kısmı ile araçta bulunan su elektroliz yolu ile bileşenleri olan hidrojen ve oksijene ayrışmakta , ve güneş görülmeyen vakitlerde ise üretilen hidrojen ve oksijen yakıt pillerinde bir araya getirilerek su, elektrik akımı sağlamaktadır. Bu konuda NASA’ da yoğun çalışmalar sürmektedir.

7. YAKIT PİLLERİNİN MALİYETİ NEDİR

Birçok firma araştırma amaçlı küçük üniteler satmaktadır. Fiyatları çeşitlidir. Araçlarda yaygın olması için yakıt pilleri çok daha ucuz olmalıdır. Mevcut araba motorlarının maliyeti yaklaşık 3000 $/ kW’ dır. Yakıt pilinin maliyetini bu seviyeye getirmek daha çok araştırma gerektirmektedir. Çeşitli firmaların yaptıkları çalışmalara göre uygulanabilir ve yaygın bir araç yakıt pilinin 2000’ de elde edilebileceğine dair güvenceler vermektedir.
Yakıt pilleri, birçok kullanım avantajlarına rağmen oldukça yüksek üretim maliyetleri nedeniyle ancak, gelecek yüzyıl için CO2 emisyonlarını azaltmaya yardımcı en önemli enerji dönüşüm teknolojili olarak görülmektedir. İş komünikasyon şirketlerinin yaptığı son çalışmalardan birine göre yakıt pili toplam pazarın 1998’ deki 355 ABD dolarından 2003 yılında 1.3 milyar dolara ulaşacağı tahmin edilmiştir.
“General Motors” ve “Ford” firmasının çalışmalarına göre yakıt pilli motorlar, içten yanmalı motorlarla aynı fiyatta üretilebilecektir.

8. KAYNAKLAR

• İnternet Adresleri :

www.fuelcell.com
www.energypartners.org
www.avistalabs.com
www.doe.com

• Kaynak dergisi