Elektrik. Yakıt Hücreleri ve Piller

Transkript

1 Elektrik Yakıt Hücreleri ve Piller

2 Piller: Pil, kimyasal enerjinin depolanabilmesi ve elektriksel bir forma dönüştürülebilmesi için kullanılan bir aygıttır. Piller, bir veya daha fazla elektrokimyasal hücre, yakıt hücreleri veya akış hücreleri gibi, elektrokimyasal aygıtlardan oluşur Dr. Levent Çetin 2

3 Piller Çalışma Prensibi: Piller elektrik enerjisini biriktirir ve gerektiğinde kullanır. Elektrokimyasal olarak bir metal kendi iyonları içeren bir sıvıya daldırılırsa potansiyel farkı meydana gelir. M M+ + e Yükseltgenme M+ + e M İndirgenme Yükseltgenmenin olduğu elektrot anot, indirgemenin olduğu elektrotta katotdur Dr. Levent Çetin 3

4 Pillerde Kimyasal Reaksiyon: Örnek: Kurşun asid pilin deşarjı Anod Pb Pb e- Pb 2+ + SO 4 2- PbSO 4 Katod 2H 2 SO 4 4H + + 2SO 4 2- PbO 2 + 4H + + 2e - Pb H 2 O Tüm Pb 2+ + SO 4 2- Pb + PbO 2 + H 2 SO 4 PbSO 4v 2PbSO 4 + 2H 2 O Dr. Levent Çetin 4

5 Pillerde Kimyasal Reaksiyon: PbO 2 2e - O 2-2 Pb 2+ 2H 2 O 2H + 2H + SO 4 2- H 2 SO 4 SO 4 2- H 2 SO 4 PbSO 4 Pb 2+ 2e - Pb PbSO 4 H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Dr. Levent Çetin 5

6 Pilin Deşarj durumunda teorik elektriksel modeli: Dr. Levent Çetin 6

7 Pilin Şarjı: Bazı pillerde enerji geri dönüşlüdür. Bundan kasıt, elektrik enerjisinin şarj işlemi vasıtasıyla tekrar kimyasal enerjiye dönüştürülebileceğidir. Dolayısıyla nihai gerilimine veya daha alt gerilime inmiş bir sekonder pile belirli değerdeki bir akımı belirli süre vererek, kimyasal reaksiyonları tersine çevirmek ve pili tekrardan şarjlı duruma getirmek mümkündür. Şarj işlemi, sekonder pilin kapasitesine göre tasarlanmış şarj cihazı ile yapılmalıdır. Uygulanacak şarj akımının büyüklüğü, nominal kapasitenin alt ve üst katları olarak verilir. Örneğin nominal kapasitesi 4 Ah olan pil 4 amperlik bir şarj akımı vasıtasıyla bir saat sonrasında teorik olarak tam şarjlı duruma ulaşır. Aynı pilin 400 miliamperlik, yani onda bir değerdeki şarj akımı ile şarjlı duruma gelmesi ise 10 saat sürecektir. Ancak normalde şarj işleminin verimliliği düşük olduğundan süre %40-60 fazlasıyla uygulanır ve standart şarj süresi saat e çıkar. Şarj işleminin oda sıcaklığında, (15-25 C) yapılması tavsiye edilir. Sıcaklığın artması veya azalması şarj verimini etkiler Dr. Levent Çetin 7

8 Pillerin Şarj Durumunda teorik elektriksel modeli: Dr. Levent Çetin 8

9 Pillerin Çeşitleri Genel olarak piller, kullanıldıktan sonra atılan (Non-rechargeable) ve tekrar şarj edilebilen (Rechargeable) piller olarak ikiye ayrılır. Kullanıldıktan sonra atılan (şarj edilmeyen) pillerde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar tersinmezdir. Çinko-karbon pil - Düşük maliyetli - az enerji gerektiren uygulamalar için. Çinko-klorid Çinko karbon pilden biraz daha uzun ömürlüdür. Alkalin pil - Alkaline/manganez "uzun ömürlü" pillerdir, daha fazla güç ihtiyacı gerekriren uygulamalarda da kullanılabilir. Gümüş-oksit pil Genelde işitme cihazlarında kullanılır. Lityum (Lithium) pil Saat ve bilgisayar saatlerinde de kullanıldığı görülür.çok uzun ömürlüdür, fakat pahalıdır. Merküri (Mercury) pil Genelde dijital saatlerde kullanılır. Çinko-hava pil Genel olarak işitme cihazlarında kullanılır. Isıl (Termal) pil Yüksek sıcaklık depolar. Askeri uygulamalarda önem taşır Dr. Levent Çetin 9

10 Pillerin Çeşitleri Kullanıldıktan sonra şarj edilebilen pillerde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar tersinirdir. Kurşun-asit pil Araçlar, alarm sistemleri ve kesintisiz güç ihtiyacı olan yerlerde kullanılır. Lityum-iyon pil Oldukça yaygın olan türdür. Yüksek şarj yoğunluğu vardır. Dizüstü bilgisayar, cep telefonları, mp3 çalarlar ve daha birçok taşınabilir dijital cihazda kullanılır. Lityum-iyon polimer pil Lityum iyon pilin temel karakteristiklerini taşır, farkı daha az şarj yoğunluğu olmasıdır. o Sodyum-sülfür (NaS) pil Nikel-demir pil Nikel metal hibrid (Ni-MH) pil Nikel-kadmiyum pil - Li-Ion ve Ni-MH pil tiplerinin tüm uygulamalarında kullanılabilir. Bu pil, uzun şarj adedine sahiptir (1500 defanın üzerinde). Fakat diğer tiplere göre daha az enerji yoğunluğuna sahiptir. Sodyum-metal klorid pil Nikel çinko pil Erimiş tuz pili Dr. Levent Çetin 10

11 Piller Temel Kavramlar GERİLİM: Satın alınan her çeşit pilin üzerinde, sahip olduğu kimyasal sisteme göre artı ve eksi uçları arasında yaratılan potansiyel farkını gösteren ve volt (V) cinsinden ifade edilen gerilim değeri muhakkak yazılıdır. Bu gerilim, pilin hiçbir harici devreye bağlı olmaksızın sahip olduğu açık devre gerilimi veya nominal gerilimidir. Sitemine göre yaratılabilen bazı nominal gerilim değerleri aşağıda verilmiştir. Primer: Şarj edilemez Sekonder: Şarj edilebilir Dr. Levent Çetin 11

12 Piller Temel Kavramlar KAPASİTE: Sekonder pillerin üzerinde genelde amper-saat (Ah) veya miliampersaat (mah) cinsinden akım değerleri veya başka bir deyişle sahip oldukları nominal enerji kapasiteleri yazılıdır. Bu değer, pilin bağlandığı cihaza verdiği sabit akımla (ki buna boşalma veya deşarj akımı denir) deşarjın başlangıcından deşarj sonu gerilim seviyesine ulaşıncaya kadar geçen zamanın çarpılması sonucunda elde edilir. Örneğin üzerinde 2 Ah (veya 2000 mah) yazılı bir pil bir saat boyunca 2 amperlik bir deşarj akımını veya yarım saat boyunca da 4 amperlik bir deşarj akımını teorik olarak üretilebilir. Pilin içinde ne kadar elektrolit ve elektrot varsa pil kapasitesi o kadar fazla olur. Bu yüzden içinde aynı voltajı sağlayan kimyasal reaksiyonlar meydana gelse bile küçük pillerin kapasitesi büyük pillere göre daha azdır. Hücreler içindeki kimyasal reaksiyonlardan dolayı, pillerin bitme süreleri akımın büyüklüğü, akım süresi, sıcaklık ve diğer başka faktörler gibi çevresel etmenlere göre değişebilir Dr. Levent Çetin 12

13 Piller Temel Kavramlar KAPASİTE Pil üreticileri pillerini derecelendirmek için standart bir yöntem kullanmaktadırlar. Pil sabit akım ve sabit zamanda (10 saat, 20 saat gibi) her hücre için belirlenmiş voltaja düşürülür. Buradaki sabit akım değeri xc- deşarj değeri olarak ifade edilmektedir.mesela 1C lik bir deşarj durumu için, 100 A-h lık bir pil, 100 A'lik sabit bir akım ile deşarj edildiğnde oda sıcaklığında 1 saat dayanmaktadır. Burada sabit akım 50 A e ise bu pilin (x=100/50=2) C/2 lik deşarj durumuna denk gelmektedir Dr. Levent Çetin 13

14 Piller Temel Kavramlar KAPASİTE Hücreler içindeki kimyasal reaksiyonlardan dolayı, pillerin bitme süreleri akımın büyüklüğü, akım süresi, sıcaklık ve diğer başka faktörler gibi çevresel etmenlere göre değişebilir.. Peukert Katsayıları Bir pilin verimliliği, boşalma hızına bağlılıdır. Düşük hızda boşaltılırken pilin enerjisi yüksek hızdaki boşalmaya göre daha verimli dağıtılır.(peukert Yasası) Dr. Levent Çetin 14

15 Piller Temel Kavramlar KAPASİTEye Sıcaklık.etkisi Pil bünyesindeki gerilim ve sıcaklık farklılıkları kimyasal reaksiyonları etkileyen en önemli faktörlerdir. Sıcaklık arttıkça kimyasal reaksiyonların hızı da artar. Bu nedenle sıcaklık artışı pil performansını arttırıcı bir neden olarak görülse de, istenmeyen reaksiyonların da paralel biçimde artması sonucunda pil ömründe kayıplar ortaya çıkar. Sıcaklık artması pilin deşarj verimini arttırır. Pil için en kötü çalışma şartı düşük sıcaklıkta yüksek akım çekilmesidir. Sıcaklık artması pilin şarj süresini arttırır. Pil için en verimsiz şarj etme durumu düşük sıcaklıkta oluşur. Sıcaklık artması pilin çalışma ömrünü azaltır.pil yüksek sıcaklıklarda ve yüksek akım değerleri ile kullanılıyorsa pilin çalışma ömrü kısalır. Sıcaklık pilin raf ömrünü kısaltır Dr. Levent Çetin 15

16 Piller Temel Kavramlar KAPASİTEye Sıcaklık.etkisi Dr. Levent Çetin 16

17 Piller Temel Kavramlar KAPASİTEye Sıcaklık.etkisi Diğer taraftan, pillerin depolama esnasındaki raf ömürleri ve şarjlarını muhafaza etme özellikleri önemli ölçüde bahis konusu istenmeyen bu yan reaksiyonlara bağımlıdır. Ayrıca bu tür reaksiyonlar elektrotların pasifleşmesine, korozyona ve bünyeden gaz çıkışı artışına yol açarlar Dr. Levent Çetin 17

18 Piller Temel Kavramlar ÖMÜR Piller bünyelerindeki aktif maddelerin kaybı ve istenmeyen kimyasal veya fiziksel değişimlerin sonucunda ömürlerini nihayette tüketirler. Ömür kavramını ay veya yıl olarak tanımlamaktan ziyade, çevrim ömrü olarak ifade etmek daha doğru olacaktır. Buna göre bir şarj (doldurma) ve bunu takiben yapılacak bir deşarj (boşaltma) işleminin karşılığına bir çevrim denilmektedir. Tek kullanımlık veya diğer bir ifadeyle şarj edilemeyen türdeki pillerin çevrim ömrünün bir olduğunu söyleyebiliriz. Buna karşılık şarj edilebilir tip pillerde çevrime ulaşılması mümkün olabilmektedir. Her bir çevrim sonucunda pil başlangıçta sahip olduğu nominal enerji kapasitesini bir miktar kaybeder ve kapasite başlangıca nazaran %60-70 e düştüğü zaman o cihaz için pil ömrünü tamamlamıştır. Pil ömrü tanımlamasında iç direnç kavramı da geçerlidir.piller kullanıldıkça iç dirençleri yükselmeye başlar ve genellikle iç direnç başlangıca nazaran 1,3-2,0 misli arttığında pilin ömrü tamamlanmıştır. Ancak iç direnç ölçümü zor olduğundan, ömür tespitinde çevrim sayısının esas tutulması genellikle kabul edilmektedir Dr. Levent Çetin 18

19 Piller Temel Kavramlar ÖMÜRe Deşarj Derinliğinin etkisi Tanımlanan çevrim sayısı kavramında pillerin tam şarjlı durumdan tamamen deşarj edilmiş duruma geçmeleri esas tutulmuştur. Eğer deşarj işlemleri tam yapılmayıp kısmi olarak gerçekleştirilirse çevrim ömrü çok daha uzun olacaktır Dr. Levent Çetin 19

20 Piller Temel Kavramlar ÖMÜRe Deşarj Derinliğinin etkisi Görüldüğü gibi Pillerde çevrim ömrü ile şarj derinliği arasında logaritmik bir bağlantı mevcuttur ve şarj derinliği azaldıkça çevrim ömrü uzar. Bahis konusu bağlantıyı gösteren bir grafik aşağıda verilmiştir. Yukarıdaki ilişki bir çok pil çeşidi için geçerlidir ve bu özelliklerden yararlanılarak bir çok ürün çeşidinde çevrim ömrünü uzatmak mümkün olmuştur. Örneğin genellikle lityum-iyon pillerinin kullanıldığı cep telefonlarında deşarj derinliğini %25-30 dolaylarında tutarak çevrim Ortalama Çevrim Sayısıömrünü 5-6 misli arttırmak mümkündür. Düşük deşarj akımları ve flaş şarjların uygulandığı mikro-uygulamalarda ise çevrim ömürleri elde edilebilmektedir Dr. Levent Çetin 20

21 Piller Temel Kavramlar ÖMÜRe Şarj Seviyesinin etkisi Bazı pil sistemlerinde mesela lityum pillerinde, şarj akım seviyesinin sınırlandırılması çevrim ömrünün uzamasına yol açar. Diğer bir deyişle bu tür pillerde tam şarj yerine, kısmi şarj uygulamaları avantajlıdır. Lityum-iyon pillerinin değişik şarj sonu gerilimlerinde ortaya çıkan çevrim ömürleri Dr. Levent Çetin 21

22 Piller Temel Kavramlar ÖMÜRe etki eden faktörler Deşarj sonu gerilimi altında çalıştırma Pillerin belirlenen deşarj sonu gerilimlerinin altında çalışmaları da aktif kütlelerinde kayıplara yol açabilmektedir Dr. Levent Çetin 22

23 Piller Temel Kavramlar ÖMÜRe etki eden faktörler Gerilim:Şarj edilebilir türdeki piller, içlerindeki kimyasal maddelerin türüne bağlı olarak belirli bir çalışma gerilim seyrini gösterirler. Pillerin öngörülen gerilim sınırları dışına çıkmaları pil içersinde istenmeyen kimyasal reaksiyonların başlamasına yol açar. Tam şarjlı durumdaki bir pilin aktif kütlesi pilin kullanımı için hazır duruma gelmiştir ve bu durumdaki pile daha fazla enerji yüklenmesi pilin ısınmasına, geri dönüşümü mümkün olmayan kimyasal reaksiyonların başlamasına ve neticede performans kaybına neden olur. Şarj işleminin daha da sürdürülmesi sıcaklık ve iç basınç artışı sonucunda pilin parçalanarak veya patlayarak zehirli gazlar salınımı ve yangına sebebiyet verecektir. Bunun yanında basınç, elektrolit kaybı, yaşlanma gibi etmenlerde pil ömrünü azaltmaktadır Dr. Levent Çetin 23

24 Pillerin Bağlanması Taşınabilir cihazlar bazen birden fazla pile ihtiyaç duyabilirler. Bu cihazın işletim gerilimine ve işletim akım değerine bağlıdır. Örneğin çinko-karbon pilleriyle 3 adet pilin artı ve eksi uçları birbirine bağlanarak (seri bağlama) 4,5 voltluk (1,5 x 3) gerilime sahip bir batarya elde edilebilir. Aynı şekilde, bir saatte 1000 miliamper akım üretebilen 1,5 voltluk 3 adet benzer pilin artı uçları birbirlerine ve eksi uçları da yine birbirlerine bağlanılarak (paralel bağlama) 3000 milamperlik akım üretebilen 1,5 volt gerilim değerine sahip bir batarya meydana getirebilir. Seri veya paralel bağlanacak pil sayısı dış etkenlere, özellikle sıcaklığa bağlı olarak sınırlıdır. Ayrıca sekonder pillerin sistemin dengesini bozacağı nedeniyle paralel bağlanmaları tavsiye edilmez Dr. Levent Çetin 24

25 Pil Teknolojileri Kurşun Asit Bataryalar Kurşun-asit bataryalarda hücrenin anodu kurşundan, katot kısmı ise bir metal levha üzerine oturtulmuş kurşundioksitten yapılmıştır. Her batarya birkaç bağımsız hücreden yapılmış olup, her hücrenin gerilimi 2 volttur. Bunların da çoğu 3 veya 6 hücreli olup, batarya gerilimleri 6 volt ya da 12 volt'tur. Ni-Cd, Ni-MH ve Li-On pillere göre daha eski teknoloji olmalarına rağmen yüksek sığalı olmaları ve ucuz olmaları sebebiyle kurşun-asit bataryalar yaygın kullanılmaktadır. Pil büyüklüğünün önemli olmadığı ortamlar için ekonomik bir pil türüdür. Tıbbi cihazlarda, engellilerin kullandığı motorlu sandelyeler, acil durum ışıldakları, kesintisiz güç kaynaklarında, motorsikletlerde ve arabalarda kullanılır. Bu bataryalar uzun bir gelişme süreci geçirmiş olmalarına rağmen Wh/kg gibi düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Buna karşılık güç yoğunluğu 150 W/kg gibi oldukça yüksek bir değerdir. Kullanım ömürleri ise yaklaşık 3 yıldır Dr. Levent Çetin 25

26 Pil Teknolojileri Nikel Kadmiyum Piller (NiCd) Bilinen en eski şarj edilebilir (sekonder) pil türlerinden biridir. Şarjlı durumdayken pozitif elektrotta nikel hidroksit oluşur, negatif elektrot ise kadmiyumdan ibarettir. Potasyumhidroksit elektrolit maddesi olarak kullanılır. NiCd pillerinin daha sonra kullanıma giren diğer şarjlı pil türlerine nazaran başlıca avantajları son derece güvenli olmaları, hızlı şarjlara dayanılıkları ve eksi 15 0 C gibi düşük sıcaklıklarda rahatlıkla kullanılabilmeleridir. Ancak bünyesindeki yüksek orandaki kadmiyum maddesinden dolayı diğer birçok uygulamalarda yerini nikel metalhidrit pillerine bırakmıştır. Önemli diğer bir dezavantaj primer alkali manganez ve lityum pillerine nazaran düşük enerji kapasitesine sahip olmalarıdır Dr. Levent Çetin 26

27 Pil Teknolojileri Nikel Metal Hidrit Piller (NiMH) Nikel kadmiyum pillerinden temel farkı kadmiyum maddesinin yerini hidrojen alaşımının almasıdır. Pil sistemi üzerinde yapılan yoğun çalışmalar sonucunda NiMH pillerinin birim hacim esasına göre enerji yoğunlukları NiCd pillerinin çok üzerine çıkartılmıştır.bunun yanında iç dirençleri çok düşük piller üretilerek, ısı oluşumu azaltılmış ve bu suretle pil performansı arttırılmıştır. Bu türdeki gelişmiş NiMH pilleri, örneğin uzun süreyle 30 amper veya daha yüksek akım gereksinimi gösteren elektrikli bisikletlerde ( yokuş çıkışları esnasında) rahatlıkla kullanılabilmektedir. Bu özellikteki piller acil aydınlatma cihazlarına veya hafıza besleme devrelerine yerleştirilebilmekte ve bu suretle NiCd pillerine nazaran aynı kapasitede ancak daha az hacimli pillerin kullanılmasına imkan yaratılmaktadır Dr. Levent Çetin 27

28 Pil Teknolojileri Lityum İyon Piller (Li İyon) Şarjlı pil sistemleri arasında Li İyon pilleri ağırlık ve hacim esasına göre en yüksek enerji yoğunluklarına sahip olan sistemdir. Örneğin bu enerji yoğunluğu standart NiCd pillerine nazaran 2 mislidir. Ayrıca Li İyon pillerinin mevcut enerji kapasitelerini ileride daha da arttırmak mümkün görülmektedir. Pil geriliminin 3,6 volt olması çok önemli bir avantajdır. Cep telefonları genellikle tek bir Li İyon pili ile çalışır. Buna karşılık aynı görevi 1,2 volt gerilime sahip 3 adet nikel esaslı pil yapmak zorundadır. Endüstriyel türdeki Li İyon sistemleri ise bu gün hibrit türü elektrikli araçlar için önemli bir enerji kaynağını teşkil etmektedirler Dr. Levent Çetin 28

29 Pil Teknolojileri Lityum Polimer Piller Li Polimer pilleri diğer şarj edilebilir lityum pillerine nazaran kullanılan elektrolit maddesi bakımından farklılık gösterir. Li Polimer sisteminde elektrolit, iletkenliği olmayan ancak iyonların geçişine müsaade eden plastik türü bir maddeden yapılmıştır. Katı halde polimer uygulaması da üretimi basitleştirmekte, pil güvenliğini arttırmakta ve ince yapılı pillerin oluşumuna imkan sağlamaktadır. Bu suretle cihaz içerisinde mevcut kısıtlı hacme uyacak enerji kaynağının kullanılması da kolaylaşmaktadır Dr. Levent Çetin 29

30 Pil Teknolojileri Karşılaştırma Dr. Levent Çetin 30

31 Pil Teknolojileri Karşılaştırma Dr. Levent Çetin 31