Merve ÇETİNKAYA ve Filiz

Transkript

1 KARAOSMANOĞLU Merve ÇETİNKAYA ve Filiz İTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü, 80626, Maslak-İstanbul ve ÖZET Yeni enerji teknolojisi kapsamında, çeşitli enerji dönüşüm yöntem ve/veya sistemleri içinde yakıt pilleri sahip olduğu pek çok olumlu özellik ile ön plana çıkmaktadır. Yakıt pilleri, yakıt ve oksitleyicinin bileşimine, yakıtın dolaylı veya direk yoldan verilmesine, kullanılan elektrot ve elektrolit cinsine, operasyon sıcaklığına bağlı olarak, yakıt pilleri 6 grupta toplanabilir. Bu 1 / 13

2 gruplar içinde basit yapısı, yüksek verimi, çevre dostu çalışma özellikleri, reformlama ünitesine ihtiyaç duyulmaması ve matanolün kolay depolanabilir olması nedeniyle, Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili, günümüzde üzerinde en çok çalışma yapılan ve gelecekte de en çok kullanım alanı bulacağına inanılan yakıt pillerinin başında gelmektedir. Bu çalışmamızda, Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili çalışma prensibi, yapısı, bileşenleri ve uygulama alanları incelenmektedir. Anahtar Kelimeler: Yakıt pili, DMFC, Metanol, Polimer Elektrolit Zar. ABSTRACT Fuel cells get attention among the new energy technologies, because of their properties. Fuel cells are classified according to the fuel and oxidant used, indirect or direct injection of fuel, types of electrodes and electrolytes used, and their operation temperatures. They are classified into 6 different groups. 2 / 13

3 Because of it s simple structure, high efficiency, and environment frendly characteristic, Direct Methanol Fuel Cells is the new member of fuel cell family. They are also advantageous, because of lack of reformer unit and easy handling of methanol. DMFCs will have a big field of usage and wide investigations are and will be done on DMFCs. In this work, structure, parts, practice, theory and applications of DMFCs are reviewed. Keywords: Fuel cell, DMFC, Methanol, Polymer Electrolyte Membrane. 1. GİRİŞ Günümüzde dünya nüfusundaki artış ve buna bağlı olarak 3 / 13

4 enerji ihtiyacındaki yükseliş, alternatif yakıtlara daha fazla önem verilmesine ve buna bağlı olarak daha fazla zaman ve para harcanmasına neden olmaktadır. Varolan fosil yakıt kaynaklarının ortalama 100 yıllık bir ömrü kaldığı düşünüldüğünde, verilen önemin artmasının normal olduğu görülmektedir. İnsanoğlunun enerjiyi değerlendirme seçeneklerinin en önemlilerinden biri Elektrik Enerjisi şeklindedir. Günümüzde güneş, hidrolik, rüzgar, nükleer, dalga, jeotermik, hidrojen ve biyokütle gibi yeni-temiz-yenilenebilir enerji kaynaklarına, elektrik üretimi için, artan bir ilgi bulunmaktadır. Bu kaynaklar yeni enerji teknolojisi kapsamında, çeşitli enerji dönüşüm yöntem ve/veya sistemleri ile değerlendirilmektedir. Bu kapsamda yakıt pilleri sahip olduğu pek çok olumlu özellik ile ön plana çıkmaktadır. Yakıt pilleri, yakıt ve oksitleyicinin bileşimine, yakıtın dolaylı veya direk yoldan verilmesine, kullanılan elektrot ve elektrolit cinsine, operasyon sıcaklığına bağlı olarak çeşitli kombinasyonlarda oluşturulabilirler [1]. Yakıt pili türleri Tablo 1 de sunulmaktadır. Bu çalışmamızda, Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nin yapısı, çalışma özellikleri, uygulama alanları, ticari başarısı üzerinde durulacaktır. Tablo 6. Çalışma Sıcaklığı ve Elektrolite Göre Sınıflandırma. Yakıt Pili Çeşidi 4 / 13

5 Elektrolit Çalışma 0C Sıcaklığı, Alkali Yakıt Pili (AFC) KOH Proton Değiştiren Membranlı Yakıt Pili (PEM) Polimer / 13

6 Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili (DMFC) Sülfürik Asit veya Polimer Fosforik Asit Yakıt Pili (PAFC) Orto Fosforik Asit Erimiş Karbonat Yakıt Pili 6 / 13

7 (MCFC) Li/ K Karbonat karışımı Katı Oksit Yakıt Pili (SOFC) Stabilize Zirkonyum / 13

8 2. DOĞRUDAN METANOL KULLANILAN YAKIT PİLİ ÇALIŞMA PRENSİBİ Bir reformlayıcıya ihtiyaç duyulmadan, metanolün doğrudan kullanımına imkan tanıyan Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili, çalışma prensibi olarak Proton Membranlı Yakıt Pili ne benzemektedir. Yakıt pilinde teorik olarak gerçekleşmesi beklenen reaksiyonlar sırasıyla şu şekildedir; katot üzerinde oluşan su ile sisteme doğrudan beslenen metanol-su karışımı anot üzerinde elektrokimyasal bir reaksiyon meydana getirmekte ve ürün olarak metanolün parçalanması sonucunda protonlar, elektronlar ve karbon dioksit meydana gelmektedir. Oluşan protonlar diğer ürünlerden ayrılarak seçiciliğe sahip polimer elektrolit zardan geçerek katota göç etmekte ve katot üzerinde, beslenen havadan sağlanan oksijen ile reaksiyona girerek su oluşumunu sağlamaktadır [3-4]. Bu reaksiyonlar sonucunda meydana gelen termodinamik potansiyeller, iletken tel ile oluşturulan dış devrede gerilimin oluşmasına ve elektrik üretilmesine neden olmaktadır. Gerçekleşen reaksiyonlar aşağıda, Şekil 1 de verilmektedir; Anot : CH 3OH (sulu) + H2O (sıvı)co2 (gaz) + 6H+ (sulu) + 6e- Katot : 3/2O2 (gaz) + 6H+ (sulu) + 6e- 3H2O (sıvı) Toplam : CH3OH (sulu) + 3/2O2 (gaz)co2 (gaz) + 2H2O (sıvı) Şekil 1. Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pilinde Gerçekleşen Reaksiyonlar. Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili için çalışma sıcaklığı C dir [4]. Bu düşük sıcaklık aralığı, bu tip yakıt hücrelerini küçük ve orta ölçekli uygulamalar için çekici hale getirmektedir. Günümüzde, pratikte elde edilen verim % 45 civarında iken, hedeflenen verim 8 / 13

9 % 55 civarındadır [5]. 3. DOĞRUDAN METANOL KULLANILAN YAKIT PİLİ YAPISI VE BİLEŞENLERİ Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili sırasıyla; anot, katot, sıvı elektrolit, ve seçici geçirgenliğe sahip bir zar içermektedir. Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili çalışmalarında en öncelikli sırayı, kullanılan zarın seçiciliği, elektrolit yapısı ve katalizör seçimi almaktadır. Bu bileşenlerin özellikleri ve günümüzde son kullanım halleri aşağıda sırasıyla ele alınacaktır ELEKTROT YÜZEYİNDE KULLANILAN KATALİZÖRLERİN ÖZELLİKLERİ Günümüze kadar yapılan pek çok çalışma sonucunda, Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nde anotta oksidasyon verimini arttırıp, yüksek akım yoğunluğunun elde edilmesinde verimi arttıran katalizör çeşidi Platin-Rutenyum karışımı olmuştur [6]. Bu etkilerin yanında, katalizörün uzun ömürlü, yüksek verimli ve maliyetin düşürülebilmesi için az miktarda kullanılabilir olması beklenmektedir. Katot yüzeyinde performansı arttıran katalizör çeşidi ise Platin katalizörler olmuştur. Bu katalizörler genelde, karbon kömürü ile karıştırıldıktan sonra, elektrot yüzeyine püskürtülerek, preslenerek veya yapıştırılarak uygulanmaktadırlar [7]. Anot yüzeyinde kullanılan katalizörün önemi çok büyüktür. Seçilecek olan katalizörün metanolü hidrojene dönüştürme kapasitesi yakıt pilinin performansını ve verimini doğrudan etkileyen bir özelliktir [7]. Günümüzde, çalışmaların bir kısmı anot yüzeyinde kullanılan katalizörleri geliştirmeye ayrılmış durumdadır. Platin- Rutenyum katalizörüne alternatif olarak, bilim adamları diğer Platin alaşımları, porfirin ve metal oksitler gibi değişik malzemeler üzerinde çalışmalarına devam etmektedir [8-9]. 9 / 13

10 Katotta kullanılacak olan katalizörünün yakıt pili performansı üzerindeki etkisi, anot katalizörü ile karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. Katot katalizöründen beklenen özellikler; metanol geçişi nedeniyle oluşan oksidasyon ürünlerinin zehirleyici özelliklerine karşı direnç göstermesi, proton oksidasyonunu arttırması, yüksek performansta düşük maliyete sahip olması olarak sıralanmaktadır. Bu istenen özelliklere gelişen teknoloji ile ulaşılmıştır POLİMER ELEKTROLİT ZARIN ÖZELLİKLERİ Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nde kullanılan zarın görevi, hücre içinde iş yapabilecek durumda olan kimyasal potansiyeli oluşturmaktır. Bu potansiyel farkı, iyonların zardan farklı geçiş hızlarından dolayı meydana gelmektedir. Anotta oluşan protonların zardan katoda geçişine izin verilirken, metanol moleküllerinin engellenmesi sonucunda hücrede bir termodinamik değişken meydana gelmektedir. Kullanılan zar ideal olduğu durumda, oluşan potansiyel her türlü güç uygulamasında kullanılabilecek büyüklüktedir [7]. Yakıt pili içinde kullanılan zardan beklenen özellikleri; yüksek sıcaklığa karşı tolerans gösterebilmesi, serbest proton transferine dayanıklı olması, metanol molekülleri gibi diğer kimyasal türlerin geçişine izin vermemesi, fiziksel dayanıklılık, ve ucuzluktur. Günümüzde, zar seçimini ve çalışmalarını zorlaştıran en önemli problem, metanol moleküllerinin zardan geçişidir. Metanol geçişinin tanımı, metanol moleküllerinin zardan difüze olarak, anot tarafından katot tarafına geçişi şeklinde verilebilir. Metanol geçişi Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nde verimi üç yoldan düşürmektedir. İlk olarak, katot kısmına geçen moleküller işe dönüştürülecek enerjiyi kullanarak okside olarak, enerji kaybına neden olmaktadır. İkinci olarak, protonlarına ve karbon dioksite ayrılacak olan yakıtın azalmasına neden olmaktadır. Son olarak ise, katot tarafındaki karbonların katot katalizörünü zehirlemesi sonucunda katalizörün inaktif hale gelmesine neden olmaktadır. Polimer elektrolit membran çeşitleri içinden en çok kullanılan ve beklenen tüm özellikleri karşılayan zar çeşidi Nafion ( DuPont)dur [10]. Her ne kadar kullanımı en geniş olan malzeme olsa da, metanol geçişine izin vermesi ve maliyetinin yüksek olmasıdır. Bu malzemenin çıkış noktası Teflon olarak bilinen polytetrafloroetilendir. Teflon, hidrofobik bir özelliğe sahiptir. Teflonun sülfolanması sonucunda oluşan Nafion, hidrofilik ve asit özelliğe sahip hale gelmektedir. Oluşan malzeme farklı fazlara sahip olurken, seyreltik asit özelliğine sahip kısımlar kuvvetli hidrofobik özelliğe sahip olmaktadır. Bu özellikler sayesinde H+ iyonları zar üzerinde hareket edebilmektedirler [11]. 10 / 13

11 4. DOĞRUDAN METANOL KULLANILAN YAKIT PİLİ UYGULAMA ALANLARI Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nin performansı üzerindeki çalışmalar pek çok alanda devam etmektedir. Düşük çalışma sıcaklığına sahip olması ve sıvı yakıt beslemesinin doğrudan uygulanması, Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili ni düşük ve orta derecedeki güç uygulamalarında kullanılabilir hale getirmektedir. Günümüzde, minyatür ölçekli yakıt pilleri üzerinde hızla gerçekleştirilen araştırmalar sonucunda sonucunda, mobil iletişim araçlarında yakıt pillerinin kullanımının artacağı görülmektedir. Yüksek çalışma sıcaklığına dayanıklılık, düşük ağırlık ve şarj kolaylığı minyatür yakıt pillerini geleneksel pillere göre daha avantajlı kılmaktadır. Diz üstü bilgisayarlar, cep telefonları, ve el kameralarının çalışma özellikleri göze alındığında, çalışma sıcaklığı, yakıt imkanı ve hızlı cevap verme özellikleri önemli değişkenler olarak gözlenmektedir. Bu kriterleri karşılayan yakıt pili tipi Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili dir. Doğrudan sıvı metanol kullanımı, geleneksel pillerde elektrikle şarj zorunluluğuna karşı bir avantajdır. Düşük sıcaklıkta, düşük güç yoğunluğu elde etmek için kullanılan platin katalizörün yüksek maliyeti ise Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nde büyük bir dezavantaj oluşturmaktadır. Maliyette oluşan problemler çözüldüğü zaman, gelecekte Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nin taşınabilir düşük ve orta güç ihtiyacına sahip sistemlerde kullanımının artacağı düşünülmektedir. Günümüzde, cep telefonları üzerinde yapılan çalışmalar Amerika Birleşik Devletleri nde sürdürülürken, diz üstü bilgisayar uygulamaları Alman bilim adamları tarafından yürütülmektedir [12]. Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili teknolojisi oldukça yeni bir yakıt pili çeşidi olduğundan dolayı, yüksek güç sistemleri olan Taşıt, Jeneratör, Sabit Güç Üretim Sistemi gibi uygulama alanlarındaki bu yakıt pili ile ilgili çalışmalar hızlı bir şekilde devam etmektedir. Bu uygulama alanlarından biri olan Taşıt uygulamalarında Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili kullanımının artacağı düşünülmektedir. Yakıt pilinin çevre dostu özelliği, metanolün depolanmasının kolaylığı, yüksek sıcaklıklarda yüksek verim eldesinin kolaylığı, gelecekte, Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nin Taşıt Uygulamaları nda önemli bir yere sahip olmasına neden olacaktır. Ballard Power Systems, Honda, Nissan, Volkswagen, Yamaha, Ford, Daimler Chrysler, Cinergy firmaları Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili taşıt uygulamaları üzerinde çalışmalarını sürdürmektedir [13-15]. 11 / 13

12 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Gelişmekte olan Yakıt Pili Teknolojisi nin en yeni elemanı olan Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nin gelecekte bir çok alanda kullanım imkanı bulacağına kesin gözüyle bakılmaktadırlar. Avrupa ve Amerika Bileşik Devletleri nde bilim adamları, yakıt beslemede kolaylık, uygun çalışma sıcaklığı, ve yakıtın kolay depolanabilmesi gibi avantajlara sahip olan Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili nin geliştirilmesi için çalışmalarına son sürat devam etmektedirler. İleride Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili pazarının genişleyeceği ve bu tip yakıt pilinin pazarda kullanım alanı bulacağına kesin gözüyle bakılmaktadır. Ülkemizde Yakıt Pili Teknolojisi ile ilgili çalışmalar kişisel ilgi ile devam ettirilmektedir. Gelecekte Hidrojen Enerjisi ve Yakıt Pillerine alakanın ve desteğin artması için devlet desteği ile çalışmaların en kısa zamanda başlaması gerekmektedir. 4. KAYNAKLAR 1. Linden, D., Handbook of Batteries and Fuel Cells, Mc-Graw Hill Publishing Company, New York, Technologic-Transfer-Büro, 4th Joint Presentation of Hydrogen Technologies and Fuel Cell Applications, Hannover, Çetinkaya, M., Karaosmanoğlu, F., Yakıt Pillerinde Hidrojen Kullanımı, 1.Ulusal Hidrojen Kongresi, Ankara, 16 Temmuz Çetinkaya, M., Karaosmanoğlu, F., Yakıt Pilleri ve Uygulamaları, 3e Electrotech- Enerji, Elektrik, Elektronik Teknolojileri Dergisi, Ağustos Yamada, K., Energy Resource Issue and Direct Methanol Type Fuel Cell Battery, SCEJ 33rd Fall Meeting, Hamamatsu, Japonya, Eylül Lamy, C., Leger, L.G., Interfacial Electrochemistry, Marcel Dekker, 48, New York, DMFC Information, 12 / 13

13 14. BALLARD- News Release, 15.Smith, J., Angel, B., New Application for DMFC, Journal of the Fuel Cell, 44:1, 22-29, Kay.Tar: DOĞRUDAN METANOL KULLANILAN YAKIT PİLLERİ 8. Plamen Electrochemical Engineering Group, Fuel Cell Seminar, Appleby, A. J., Fuel Cells: Trends In Research And Applications, Hemisphere Publishing Corporation, Dicks, A., Larminie, J., Fuel ell Systems Explained, John Wiley & Sons, Ltd, West Sussex, İngiltere, Uses & Applications, The Energy Ventures Inc. Dırect Methanol Fuel Cell (DMFC), 13 / 13