Atca09
24 05 2013, 00:32
Fuel cell / Brennstofzelle /yakıt hücresi:
Volkswagen yakıt hücre (fuel cell) araştırmalarında rakiplerine göre geç başlamasina rağmen oldukça hızlı bir yol katetmistir. Capri-projesi kapsamında 1997 başlatilan araştirmalarda Golf Variantta yapilan ar-ge çalismalarinda 20 kilowatt lik bir performansdan bugün yakıt hücresi 100 kW elektrik motoru performasyonuna ulaşmistir.
Yüksek lisans tezimi yazdığım 2000 -2001 yıllarında (Alman Kimyasal Teknolojiler Arastirma Enstitüsü "ICT Fraunhofer Institut") taki çalışmarım esnasında 80 kilowatt lık bir performans yüksek bir hedefti. Size aşagıda Yakıt pili (yakıt hücresi) tarihçesi ve basit olarak çalisma prensibini aktarmaya çalışayım.
Yakıt pili (yakıt hücresi), enerji üretiminde kullanılan verimli, sessiz, çevre ile uyumlu ve elektrokimyasal prensipte yakıt enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren güç üretim elemanıdır.
İlk yakıt hücresi 1839 yılında Sir William Grove tarafından tasarlanmıştır. Grove önce seyreltik sülfürik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elektrottan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmıştır. Yaptığı çalışmalarla suyun elektrolizinin ters reaksiyonu sonucunda sabit akım ve gücün üretildiğini fark eden Grove, böylece tesadüfi olarak büyük bir buluş gerçekleştirmiştir. Sonraki yıllarda ise önceki çalışmasında kullandığı sistemin bir dizisini seri bağlayarak daha fazla elektrik akımı üretmeyi başarmıştır.
Friedrich Wilhelm Ostwald, yakıt pili içindeki her elemanın yakıt pilinin çalışmasındaki görevini ve etkisini araştırmıştır. William W Jacques, eriyik elektrolitli yakıt pillerinin temelini atmıştır. Kömürün elektro kimyasal enerjisinden doğrudan elektrik üretmeyi başarmıştır. 1900 yılında Emil Baur, bir diğer bilim adamı Nerst'in başlattığı kati oksit elektrolitle çalışan bir yakıt hücresi projesinin başarıya ulaşmasını sağlamıştır. Bu konudaki en önemli çalışma Thomas Bacon tarafından alkalin yakıt pilleri üzerinde yapılan çalışmalardır. Bu çalışmanın önemini anlayan Pratt ve Whitney şirketi bu projeye lisans vererek, NASA 'da kullanılmasını sağlamıştır. 1950'li yıllarda uzay çalışmaları yarısıyla yakıt pillerine ilgi artmıştır. 1958 'de ise NASA, Hidrojen-oksijen pilini uzay çalışmalarında kullanmaya başlamıştır.
Petrol krizi sonrasında ise hidrojen ve hidrojenli yakıt pilleri daha da önem kazanmıştır.
Yakıt pili çalışma prensibi:
Yakıt pilinde gaz yakıtlardaki kimyasal enerji, düşük enerjili minimum hareket içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektro kimyasal bir prensiple temel olarak elektrik ve ısı enerjisine dönüştürülür. Yakıt pili, yakıt (direkt kullanımda; hidrojen, dolaylı kullanımda ise; doğal gaz, LPG, metanol vb.) ve oksitleyicinin (hava veya oksijen) kimyasal enerjisini doğrudan elektrik ve ısı formunda enerjiye çeviren güç üretim cihazıdır.
Yakıt pilleri düşük gürültü seviyesinde az kirletici açığa çıkararak yüksek verimle çalışabilmektedirler. Direkt hidrojen kullanımında tek yan ürünleri saf sudur. Termik makinelerde, Carnot çevrimine göre verim ?c=1-TITQ 'dır. Yani işlem sıcaklığı (T0), arttıkça verim artmaktadır. Fakat bu sıcaklık, malzeme dayanım limitleri ile sınırlanmıştır. Yakıt pilinde ise bu sınırlama söz konusu değildir. Yakıt pili genel verimi ? fc = DG/DH şeklinde ifade edilir ki, bu da Gibbs serbest enerjisinin yakıt ısıl değerine oranı şeklindedir.
Temel olarak bir yakıt pili; anot, katot ve elektrolit kısımlarından oluşur. Ayrıca reaksiyonu hızlandırmak için yakıt pili tipine göre farklı katalizörler kullanılır.
Sistemde; anoda gönderilen yakıttan ayrılan elektronlar, bir dış devre üzerinden yoluna (katoda doğru) devam ederken, iyonlar (elektronları ayrılan yakıt) elektrolit üzerinden katoda doğru hareket eder ve burada anottan gelen elektronlar ve hava ile reaksiyona girer ve devre tamamlanır. Böylelikle dış devreden dolaştırılan elektronların bulunduğu akım kolunda elektrik akımı oluşur. Yakıt pilinin tipine göre sistemde, farklı katalizör malzemeler de kullanılır. Örneğin, taşıt uygulamalarında daha çok tercih edilen PEM yakıt pilinde elektrolitin her iki yüzeyinde de preslenmiş olarak genellikle Platinyum malzemeden katalizör kullanılır.
Yakıt pilinde tek bir hücre gerilimi 1 volttan daha az olduğundan, gerekli elektrik enerjisini üretmek için birden fazla yakıt hücresini seri bağlayarak kullanmak gereklidir. Bu hücrelerin arasına iki kutuplu levhalar yerleştirilmelidir.
Bu levhalar, elektrotlara gazın sağlanması ve hücrelerin elektriksel olarak bağlanmasını sağlarlar. Sandviç şeklindeki bu hücre ve levha grubuna "Yakıt hücresi grubu" adı verilir.
Bu elektrokimyasal işlemden çıkan yan ürün sadece su ve ısıdır (Yakıt olarak hidrojen kullanılması halinde). Bu sistemi, pilden ayıran en önemli fark ise, güç üretimi için şarja gereksinim olmaması ve yakıt sağlandıkça güç üretiminin devam ediyor olmasıdır. Yakıt pilinde gerçekleşen reaksiyonlar (örnek; PEM yakıt pili):
http://www.nukte.org/files/u1/hidrojen5.jpg
Reaksiyon sıcaklığının sağlanması için bu kümenin içine birkaç tane soğutucu levha yerleştirilir. Hücrelere gaz temini ve su çıkışı her hücre için ayrı olabileceği gibi kümenin sonundaki levhalardan da sağlanabilir.
Teorik olarak yakıt hücreleri, okside olabilen tüm akışkanları dönüştürebilirler. Pratikte ise hidrojen ve hidrokarbon yakıtlar arasında farklar meydana gelmektedir.
Bütün yakıt hücresi çeşitleri, yukarıda anlatılan yöntemle hidrojeni dönüştürebilirler. Fakat hidrokarbonların kullanılmasında, dönüşüm için ya çok büyük katalizör yüzeyi ya da çok yüksek sıcaklık gerektiren oksidasyon problemleri vardır. Bu nedenle hidrokarbon yakıtlar, yakıt hücresinde önce su buharıyla reforme edilerek hidrojen üretiminde kullanılmasıyla, yani dolaylı yollardan kullanılabilmektedir. Bu nedenle de hidrokarbon yakıt kullanılan yakıt pillerinin verimi direkt hidrojen kullanılan yakıt pillerine göre daha düşüktür. Yakıt pillerinin avantaj ve dezavantajları da özetlenecek olursa:
Avantajları: Yüksek verim, yüksek güç yoğunluğu, modülerlik, geniş yakıt yelpazesi, düşük emisyon, yüksek güvenilirlik, kolay kurulum, hızlı enerji dönüşümü.
Dezavantajları: Yüksek maliyet, özellikle taşıt uygulamaları için avantajlar taşıyan hidrojenin dağıtım ağının kurulu olmaması.
Volkswagen yakıt hücre (fuel cell) araştırmalarında rakiplerine göre geç başlamasina rağmen oldukça hızlı bir yol katetmistir. Capri-projesi kapsamında 1997 başlatilan araştirmalarda Golf Variantta yapilan ar-ge çalismalarinda 20 kilowatt lik bir performansdan bugün yakıt hücresi 100 kW elektrik motoru performasyonuna ulaşmistir.
Yüksek lisans tezimi yazdığım 2000 -2001 yıllarında (Alman Kimyasal Teknolojiler Arastirma Enstitüsü "ICT Fraunhofer Institut") taki çalışmarım esnasında 80 kilowatt lık bir performans yüksek bir hedefti. Size aşagıda Yakıt pili (yakıt hücresi) tarihçesi ve basit olarak çalisma prensibini aktarmaya çalışayım.
Yakıt pili (yakıt hücresi), enerji üretiminde kullanılan verimli, sessiz, çevre ile uyumlu ve elektrokimyasal prensipte yakıt enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren güç üretim elemanıdır.
İlk yakıt hücresi 1839 yılında Sir William Grove tarafından tasarlanmıştır. Grove önce seyreltik sülfürik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elektrottan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmıştır. Yaptığı çalışmalarla suyun elektrolizinin ters reaksiyonu sonucunda sabit akım ve gücün üretildiğini fark eden Grove, böylece tesadüfi olarak büyük bir buluş gerçekleştirmiştir. Sonraki yıllarda ise önceki çalışmasında kullandığı sistemin bir dizisini seri bağlayarak daha fazla elektrik akımı üretmeyi başarmıştır.
Friedrich Wilhelm Ostwald, yakıt pili içindeki her elemanın yakıt pilinin çalışmasındaki görevini ve etkisini araştırmıştır. William W Jacques, eriyik elektrolitli yakıt pillerinin temelini atmıştır. Kömürün elektro kimyasal enerjisinden doğrudan elektrik üretmeyi başarmıştır. 1900 yılında Emil Baur, bir diğer bilim adamı Nerst'in başlattığı kati oksit elektrolitle çalışan bir yakıt hücresi projesinin başarıya ulaşmasını sağlamıştır. Bu konudaki en önemli çalışma Thomas Bacon tarafından alkalin yakıt pilleri üzerinde yapılan çalışmalardır. Bu çalışmanın önemini anlayan Pratt ve Whitney şirketi bu projeye lisans vererek, NASA 'da kullanılmasını sağlamıştır. 1950'li yıllarda uzay çalışmaları yarısıyla yakıt pillerine ilgi artmıştır. 1958 'de ise NASA, Hidrojen-oksijen pilini uzay çalışmalarında kullanmaya başlamıştır.
Petrol krizi sonrasında ise hidrojen ve hidrojenli yakıt pilleri daha da önem kazanmıştır.
Yakıt pili çalışma prensibi:
Yakıt pilinde gaz yakıtlardaki kimyasal enerji, düşük enerjili minimum hareket içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektro kimyasal bir prensiple temel olarak elektrik ve ısı enerjisine dönüştürülür. Yakıt pili, yakıt (direkt kullanımda; hidrojen, dolaylı kullanımda ise; doğal gaz, LPG, metanol vb.) ve oksitleyicinin (hava veya oksijen) kimyasal enerjisini doğrudan elektrik ve ısı formunda enerjiye çeviren güç üretim cihazıdır.
Yakıt pilleri düşük gürültü seviyesinde az kirletici açığa çıkararak yüksek verimle çalışabilmektedirler. Direkt hidrojen kullanımında tek yan ürünleri saf sudur. Termik makinelerde, Carnot çevrimine göre verim ?c=1-TITQ 'dır. Yani işlem sıcaklığı (T0), arttıkça verim artmaktadır. Fakat bu sıcaklık, malzeme dayanım limitleri ile sınırlanmıştır. Yakıt pilinde ise bu sınırlama söz konusu değildir. Yakıt pili genel verimi ? fc = DG/DH şeklinde ifade edilir ki, bu da Gibbs serbest enerjisinin yakıt ısıl değerine oranı şeklindedir.
Temel olarak bir yakıt pili; anot, katot ve elektrolit kısımlarından oluşur. Ayrıca reaksiyonu hızlandırmak için yakıt pili tipine göre farklı katalizörler kullanılır.
Sistemde; anoda gönderilen yakıttan ayrılan elektronlar, bir dış devre üzerinden yoluna (katoda doğru) devam ederken, iyonlar (elektronları ayrılan yakıt) elektrolit üzerinden katoda doğru hareket eder ve burada anottan gelen elektronlar ve hava ile reaksiyona girer ve devre tamamlanır. Böylelikle dış devreden dolaştırılan elektronların bulunduğu akım kolunda elektrik akımı oluşur. Yakıt pilinin tipine göre sistemde, farklı katalizör malzemeler de kullanılır. Örneğin, taşıt uygulamalarında daha çok tercih edilen PEM yakıt pilinde elektrolitin her iki yüzeyinde de preslenmiş olarak genellikle Platinyum malzemeden katalizör kullanılır.
Yakıt pilinde tek bir hücre gerilimi 1 volttan daha az olduğundan, gerekli elektrik enerjisini üretmek için birden fazla yakıt hücresini seri bağlayarak kullanmak gereklidir. Bu hücrelerin arasına iki kutuplu levhalar yerleştirilmelidir.
Bu levhalar, elektrotlara gazın sağlanması ve hücrelerin elektriksel olarak bağlanmasını sağlarlar. Sandviç şeklindeki bu hücre ve levha grubuna "Yakıt hücresi grubu" adı verilir.
Bu elektrokimyasal işlemden çıkan yan ürün sadece su ve ısıdır (Yakıt olarak hidrojen kullanılması halinde). Bu sistemi, pilden ayıran en önemli fark ise, güç üretimi için şarja gereksinim olmaması ve yakıt sağlandıkça güç üretiminin devam ediyor olmasıdır. Yakıt pilinde gerçekleşen reaksiyonlar (örnek; PEM yakıt pili):
http://www.nukte.org/files/u1/hidrojen5.jpg
Reaksiyon sıcaklığının sağlanması için bu kümenin içine birkaç tane soğutucu levha yerleştirilir. Hücrelere gaz temini ve su çıkışı her hücre için ayrı olabileceği gibi kümenin sonundaki levhalardan da sağlanabilir.
Teorik olarak yakıt hücreleri, okside olabilen tüm akışkanları dönüştürebilirler. Pratikte ise hidrojen ve hidrokarbon yakıtlar arasında farklar meydana gelmektedir.
Bütün yakıt hücresi çeşitleri, yukarıda anlatılan yöntemle hidrojeni dönüştürebilirler. Fakat hidrokarbonların kullanılmasında, dönüşüm için ya çok büyük katalizör yüzeyi ya da çok yüksek sıcaklık gerektiren oksidasyon problemleri vardır. Bu nedenle hidrokarbon yakıtlar, yakıt hücresinde önce su buharıyla reforme edilerek hidrojen üretiminde kullanılmasıyla, yani dolaylı yollardan kullanılabilmektedir. Bu nedenle de hidrokarbon yakıt kullanılan yakıt pillerinin verimi direkt hidrojen kullanılan yakıt pillerine göre daha düşüktür. Yakıt pillerinin avantaj ve dezavantajları da özetlenecek olursa:
Avantajları: Yüksek verim, yüksek güç yoğunluğu, modülerlik, geniş yakıt yelpazesi, düşük emisyon, yüksek güvenilirlik, kolay kurulum, hızlı enerji dönüşümü.
Dezavantajları: Yüksek maliyet, özellikle taşıt uygulamaları için avantajlar taşıyan hidrojenin dağıtım ağının kurulu olmaması.