Elektrik. Yakıt Hücreleri ve Piller

Transkript

1 Elektrik Yakıt Hücreleri ve Piller

2 Yakıt Hücresi: Alışıla gelmiş elektrik üretim sistemleri yakıtın içindeki enerjiyi elektriğe dönüştürmek için ilk olarak yanma reaksiyonunu kullanır. Yanma reaksiyonunun verimli bir şekilde gerçekleşmesi için yakıtın ve oksitleyicinin (oksijen) tam olarak karışması gerekir. Bundan sonra elektrik enerjisi üretilene kadar bir dizi ara işlem gereklidir. Her ara işlem enerji kaybına yol acar dolayısıyla verimi düşürür.fakat Hidrojen elektrik üretmek için bir elektrokimyasal reaksiyon içinde yanma olmadan oksijenle birleştirilebilir. Yakıt hücresi, yakıtın enerjisini elektrokimyasal reaksiyon ile doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren bir sistemdir Dr. Levent Çetin 2

3 Yakıt Hücresi Temel Çalışma Prensibi: Yakıt hücresi, Dışarıdan sağlanan yakıt (anot tarafı) ve oksitleyici (katot tarafı) ile. Bunların bir elektrolit ortamı içerisinde reaksiyona girmesi ile elektrik üretir. Bu reaksiyon bir katalizör etkisi ile gerçekleşmektedir. Reaksiyona giren yakıtın elektron ve pozitif yüklü iyonlara (anyon) ayrılır. Elektrolitik madde anyonların katoda geçişine izin verir fakat elektron geçişine izin vermez bu sebep ile elektronlar bir elektronik devre üzerinden akmaya zorlanır (elektrik akımı(d.a.) ). Bir diğer katalitik prosesle geri toplanan elektronların anyonlarla ve oksitleyici ile birleşerek atık ürünlerin (örneğin; su, karbon dioksit) oluşması sağlanır. Bu iki katalitik işlem ile yakıt pilinin içi pillerden farklı olarak kararlı kalır ve gerekli madde akışı sağlandığı sürece elektrik üretebilirler Dr. Levent Çetin 3

4 Yakıt Hücresi Yapısı: Dr. Levent Çetin 4

5 Yakıt Hücresi Temel Çalışma Prensibi: Yakıt pilleri zararlı atıksız ve hareketli parça içermediği için sessiz ve verimli, bir elektrik (ve ısı) enerjisi üretim teknolojisidir. Yakıt pilinde doğrudan birincil enerji kaynağı olarak,hidrojen kullanılabileceği gibi,dönüştürme yapıldığı takdirde, doğalgaz, LPG, metanol, nafta veya benzin gibi hidrojen içeren yakıtlar da kullanılabilmektedir. Bunun yanında oksitleyici olarak hava, klor, ve klordioksit kullanılabilmektedir. Hidrojenli yakıt hücreleri için teorik verim değeri %80-90 civarındadır Dr. Levent Çetin 5

6 Yakıt Hücresi Kullanım Alanları: Dr. Levent Çetin 6

7 Yakıt Hücresi Tipleri: Yakıt hücre sistemleri genellikle kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar: -Bazik yakıt hücreleri -Erimiş karbonat yakıt hücreleri -Fosforik Asit yakıt hücreleri -Katı oksit yakıt hücreleri -Proton değişim membran yakıt hücreleri Dr. Levent Çetin 7

8 Yakıt Hücresi Tipleri Karşılaştırma: Dr. Levent Çetin 8

9 Yakıt Hücresi enerji üretimi karşılaştırma: Dr. Levent Çetin 9

10 Yakıt Hücresi Enerji Üretimi: Bir yakıt hücresinden alınan elektrik enerjisi ölçülen gerilim, akım ve zaman değerleri kullanılarak kolayca hesaplanır.fakat bu enerjinin kaynağı meydana gelen kimayasal reaksiyondur. Bir kimyasal reaksiyonda ortaya çıkan ya da ortamdan alınan enerji, reaksiyona giren reaktantların ve sonuçta oluşan ürünlerin Gibbs Enerjilerinin farıkna eşittir. Bir maddenin Gibbs Serbest Enerjisi, o maddenin Entalpisi (ΔH) ve entropisindeki (ΔS) değişikliklerin birlikte ifadesidir.bir tepkime için Gibbs enerji seviyelerindeki değişim: G G (ürünler)- G (reaktantlar) H- T S(T: f f Kelvin ) Dr. Levent Çetin 10

11 Yakıt Hücresi Enerji Üretimi: Bir yakıt hücresinden ortaya çıkan enerji bu basit formülden hesaplanabilir. g g (ürünler) g (reaktantlar) f f f g ( g ) ( g ) 1 ( g ) 2 f f H O f H f O Dr. Levent Çetin 11

12 Yakıt Hücresi Enerji Üretimi (Açık Devre Gerilimi ): Eger Yakıt hücresinde hiç kayıp yoksa, yani işlemler tersinir ise, Gibbs serbest enerjisinin tamamı elektrik enerjisine dönüşür. Bu ideal duruma göre, tersinir Açık Devre Gerilimi bulunur Bir yakıt hücresinde, üretilen her su molekülü ve kullanılan her hidrojen molekülü için 2 elektron devreden geçer. Yani kullanılan 1 mol Hidrojen içim 2N elektron geçer (N Avagadro sayısıdır x molekül/mol). Bir elektronun yükü e (1.602 x Coulombs/elektron) ise, toplam transfer edilen yük: F: faraday sabitidir ve değeri Coulombs/elektron-mol dür E yakıt hücresinin gerilimi ise, yapılan elektriksel iş: Elektriksel iş= yük x gerilim = -2FE Joules Eger sistem tersinir ise yapılan iş Gibbs serbest enerjisine eşit olacaktır. Açık devre gerilimi: Dr. Levent Çetin 12

13 Yakıt Hücresi Enerji Üretimi(Açık Devre Gerilimi): Örneğin 200 o C çalışan bir yakıt hücresinin tersinir açık devre gerilimi: F: Faraday sabiti=96485 Coulombs/elektron-mol Dr. Levent Çetin 13

14 Yakıt Hücresi Enerji Üretimi (teorik verimi): Yakıt pili teorik verimi genellikle bir mol yakıttan elde edilen elektrik enerjisinin tepkimenin entalpisine oranı olarak tanımlanır. g f Olası maksimum verim= x100% h f Burada dikkat edilmesi gereken Hidrojenin yanması ile oluşan suyun sıvı veya gaz olmasıdır.(çalışma sıcaklığına bağlı olarak) Dr. Levent Çetin 14

15 Yakıt Hücresi Enerji Üretimi (teorik verimi): Tabloda, Hidrojen yakıtlı hücreler için Üst Isıl değere göre, maksimum verim limiti görülmektedir. Maksimum gerilim (E) verilen formülden hesaplanır..bu değerler kullanılarak tersinir şartlarda elde edilmiştir. Gerçek hücre verimi ise gerçekte tersinmez (:kayıplı) reaksiyonlar sonucunda elde edilen gerilimin bu değerlere orandır. V c Hücre verimi= 100% (Üst ısıl değere göre) Dr. Levent Çetin 15

16 Yakıt Hücresi Enerji Üretimi (teorik verimi): Fakat gerçekte bu değere hiçbir zaman ulaşılamaz. Şekilde normal hava basıncın da ve yaklaşık 70 o C da bir yakıt hücresinin çalışma eğrisi görülmektedir Dr. Levent Çetin 16

17 Yakıt Hücresi kayıplar: Gerilim Düşümünün Nedenleri 1.Aktivasyon kayıpları: Bu kayıp elektrotların yüzeyinde meydana gelen reaksiyonl arın yavaşlığından kaynaklanır. Tepkime esnasında üretilen gerilimin bir kısmı, elektron transferi sırasında kaybolur. 2.Yakıt atlaması ve iç akım kayıpları: Atık yakıtın elektrolitten geçmesi ve elektronl arın dış devre yerine elektrolitten geçmesinden kaynaklanan kayıplardır. 3.Omik kayıplar: Elektronların ve iyonların akışına elektrodların ve elektrolitlerin g östediği dirençten kaynaklanır. Bazen resistif(direçsel) kayıplarda denir. 4.Kütle aktarım veya Konsantrasyon kayıpları: Elektrotların yüzeyinde reaktantları n konsantrasyonundaki değişimden kaynaklanır. Konsantrasyon gerilimi etkiler ve böylece bu tip tersinmezliklere konsantrasyon kayıpları denir. Çünkü konsa ntrasyon düşüşü yeterince reaktantın elektrot yüzeyine aktarımını engeller. Bu t ip kayıplar sık sık kütle aktarım kaybı olarak adlandırılır. Bazen de Nernstian ka yıpları olarak adlandırılır Dr. Levent Çetin 17

18 Yakıt Pili Üniteleri: Yakıt pilinde anot,katot ve elektrolitten oluşan her bir birime Membran Elektrot Grubu (MEA)denir. Her bir MEA den sağlanan elektriksel gerilim değeri 1 Volt mertebelerindedir. Yüksek gerilim elde etmek için ise her bir MEA seri olarak bağlanır ve istenilen gerilim düzeyine ulaşılır. Bu sisteme Yakıt Pili Ünitesi adı verilir. Daha yüksek akım elde etmek içinse temelde yüksek akımlara ulaşmak için reaksiyona giren molekül sayısını arttırmak gereklidir.bu ise anot,katot ve elektrolit yüzeylerinin arttırılması ile sağlanır Dr. Levent Çetin 18

19 Yakıt Hücresi Sistemleri: Yakıt hücreleri sisteminin kararlı çalışması için uygun, yakıt ve oksiitleyici debilerini kontrol eden ve bunları sağlayan bir grup cihaz ile beraber kullanılır. Bu entegre sistem yakıt hücresi sistemi olarak adlandırlır Dr. Levent Çetin 19

20 Yakıt Hücresi Sistemleri: Dr. Levent Çetin 20

21 Yakıt Hücresi Sistemleri: Dr. Levent Çetin 21

22 Yakıt Hücresi Sistemleri: Kurulu yakıt hücresi sistemlerde sürekli hidrojen ihityacını karşılamak üzere depo tankına alternatif olarak elektroliz hücresi de bulunmaktadır. Elektroliz hücresi elektrik enerjisini kullanarak suyu bileşenlerine ayırır, burada elede edilen hidrojen yakıt hücresinde enerji üretmek için kullanıllır Dr. Levent Çetin 22

23 Yakıt Hücresi Sistemleri: Büyük güçte elektrik üretimi (20 Kw System) Dr. Levent Çetin 23

24 Yakıt Hücresi enerji verim (uygulamalarda): Yakıt olarak oksijen yerine hava kullanıldıgında, havanın sıkıstırılması ve nem eklemesi gibi, verimi düsüren ilave kayıplar da olacaktır. Öte yandan yakıt hücreleri, asırı yüklenmelerde daha düsük verimle çalısırlar. Yakıt hücresi ile çalısan bir tasıtın, yakıt tankından tekerlege kadar olan verimi, düsük yüklenmelerde yaklasık %45, ortalama %36 dır. Dizel tasıtlar için karsılastırılabilir deger %22 dir. Üretim, tasınım ve depolamanın da hesaplamalara dahil edilmesi gerekir. Sıkıstırılmıs hidrojenle çalısan yakıt hücreli tasıtların, güç santralinden tekerlege kadar olan verimi %22, eger hidrojen sıvı-hidrojen olarak depolanmıs ise %17 dir. Yakıt hücreleri, pillerdeki gibi enerji depolayamazlar. Fakat, günes veya rüzgar enerjisi gibi kesiksizkaynaklardan beslenen güç tesislerinde, elektroliz ve depolama sistemleri ile birlestirilerek enerji depolamasistemi olustururlar Dr. Levent Çetin 24

25 Değerlendirme Yakıt pilleri doğrudan kimyasal enerjiyi elektriğe dönüştürdükleri için enerji bakımından yanmalı motorlara göre oldukça verimlidir. Yakıt pilleri mekanik olarak idealdir ve tüm yapı katı parçalardan oluşabilir yani hareketli parça olmaksızın üretilebilir. Bu sayede güvenilir ve uzun süre dayanabilen yakıt pili sistemleri üretilebilmesini sağlar. Nox ( nobelyum), Sox (kükürt oksit) gibi zararlı emisyonlar ya da parçacık emisyonları hemen hemen yoktur. Pillerden farklı olarak, yakıt pillerinde güç (yakıt pili boyutuna göre belirlenir) ve kapasiteyi (yakıt deposu büyüklüğüne göre belirlenir) kolaylıkla ayarlamak mümkündür. Pillerde güç kapasite ayarlaması daha zordur. Pilleri daha büyük boyutlarda üretmek daha zor olmasına karşın yakıt pillerini 1W (örneğin cep telefonları için) gücünden MW (örneğin yüksek kapasiteli güç santralleri) gücüne kadar tasarlayabilmek olasıdır. Yakıt pilleri, pillere göre potansiyel olarak daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve tekrar yakıt sağladığınız sürece kolaylıkla tekrar şarj edebilmeniz mümkündür Dr. Levent Çetin 25

26 Değerlendirme Yakıt pilinin verimi yüksek olduğu kadar enerji yoğunluğu da yüksektir.2 MW lık bir güç istasyonu 20 m² den daha az bir alana kurulabilir. En önemli dezavantajı üretim maliyetidir. Yakıt pillerinde güç yoğunluğu diğer önemli bir kısıtlamadır. Güç yoğunluğu yakıt pilinin birim hacimde ne kadar güç üreteceğini (hacimsel güç yoğunluğu) ya da birim kütlede ne kadar güç üreteceğini (kütlesel güç yoğunluğu) göstermektedir. Yakıt pillerinin güç yoğunluğu son yıllarda oldukça arttırılabilmiştir ama taşınabilir ve otomotiv uygulama alanlarında yarışa dahil olabilmesi için güç yoğunluğunun daha da arttırılması temel hedeflerden biridir. Bir kıyaslama yapmak gerekirse hacimsel güç yoğunluğu bakımından yanmalı motorlar ve piller yakıt pillerine göre olduça öndedir ama kütlesel güç yoğunluğuna göre karşılaştırıldığında yakıt pilleri ve diğer sistemler arasında fark oldukça azdır. Yakıt pillerinde yakıt bulunabilirliği ve yakıtın depolanması diğer bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır Dr. Levent Çetin 26

27 Değerlendirme Yakıt pillerinde en iyi performans hidrojen yakıtıyla elde edilir ve bu yakıt çok yaygın olarak mevcut değildir, depolaması zordur ve düşük hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptir. Alternatif yakıtları (benzin, metanol, formik asit, vd.) doğurudan kullanmak daha zordur ve genellikle reforming prosesi (alternatif yakıtları yakıt piline beslenebilir yakıtlara dönüştüren reaktif sistemler) ile yakıt pili sistemi desteklenmelidir. Bu durumlarda yakıt pili performansları düşebilir ve ekstra ekipmanlara olan ihtiyaç artacaktır. Benzin enerji yoğunluğu bakımından önemli bir yakıt olmasına karşın yakıt pili kullanımına çok uygun bir yakıt değildir. Bunların yanı sıra, çalışma koşullarındaki sıcaklıklar, çevresel kirlilikle ilgili konular ve çalıştırma-durdurma döngülerinde dayanıklılık gibi konular yakıt pillerinde çözülmesi gereken diğer bazı konulardır Dr. Levent Çetin 27

28 Referanslar Dr. Levent Çetin 28