YAKIT PLLERNE GENEL BR BAKI

Transkript

1 YAKIT PLLERNE GENEL BR BAKI DR. MUSTAFA TURHAN ÇOBAN 1. GR Dünya nın en önemli ticari malı olan ham petrolün, küresel önemi ve mevcut miktarı 1991 yılının Ocak ayında Körfez Savaı ile birlikte tekrar gündeme geldi yılındaki ilk petrol krizinden günümüze kadar geçen süre içinde dünyanın enerji konusuna bakı açısı deimitir. Birçok zengin ülke birincil enerji kaynaklarının çeitlilii ile petrole olan baımlılıklarını azaltmaya teebbüs etmilerdir. Artan çevre artlarının enerji üretimi üzerine olan baskısı da göz ardı edilmemelidir. Yakıt pillerinin geliimi 150 yıldan beri devam etmektedir. ngiltere Swansea da yaayan Avukat William Grove yakıt pillerinin gerçek mucididir. Seyreltik sülfürik asit ile yaptıı ilk hidrojen-oksijen yakıt pili 1839 yılında Philosophical Magazine dergisinde yayınlanmıtır. Yakıt pilleri, fosil yakıtlardan elektrik enerjisi üretiminde hem yeni, hem de verimli dönüüm gösterdiinden gelecek vaat etmektedir. Yakıt pilleri, kimyasal reaksiyonun enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine çeviren aygıtlardır. Temel bir yakıt hücresinde, gaz yakıtlar anottan (negatif elektroddan) devamlı olarak beslenirken, oksitleyici (Hava veya oksijen) gazlarda katoddan (pozitif elektroddan) devamlı olarak gönderilir. Elektrik akımını oluturmak için elektrodlarda elektrokimyasal reaksiyonlar meydana gelir. Bir yakıt pili, bilinen bataryalardan bazı yönleri ile farklılıklar gösterir. Batarya bir tür enerji depolama aygıtı olup, kendisinde depolanmı kimyasal enerjinin miktarı ile belirlenen maksimum enerjiyi depolar. Bu nedenle batarya depolanmı kimyasal enerji bitene kadar(dearj) elektrik enerjisi üretmeye devam edecektir. Yakıt pili yakıt ve yakıcının elektrodlarda bulunduu süre boyunca elektrik enerjisini üretme yeteneine teorik olarak sahip olan enerji dönüüm aygıtıdır. 2. YAKIT PLLERNN ÇETLER Birtakım yakıt hücreleri halen gelimektedir. Bunlar genellikle hücrelerinde kullanılan elektrolitlere göre sınıflandırılmaktadır. u anda üzerinde çalıılan balıca yakıt pilleri türleri unlardır : 1. Proton deiim membranlı (PEM) veya katı polimer elektrolitli yakıt pili (SPEFC) 2. Alkali yakıt pili (AFC) 3. Fosforik asit yakıt pili (PAFC) 4. Erimi karbonat yakıt pili (MCFC) 5. Katı oksitli yakıt pili (SOFC) Bu yakıt pillerinden bazılarının özellikleri ve çalıma prensiplerine kısaca göz atalım: 1

2 2.1 Proton deiim membranlı (PEM) veya katı polimer elektrolit yakıt pili (SPEFC) Anod Katod Karbon Ayırıcı levha H2 Membran O2 (Hava) ekil 1. PEM yakıt pilinin kesiti PEM tipi yakıt pilinin kesiti ekil 1 de gösterilmektedir. Bu yakıt pilinde pilin elektrolit malzemesi perflorovinil polieter gibi hidrojen iyonunu (proton) geçirebilen bir polimer yapıdır. Bu polimerin kimyasal yapısı : -[(CF 2 -CF 2 ) n -CF 2 -CF]- [OCF 2 -CF(CF 3 )] m -OCF 2 -CF 2 -SO 3 H eklindedir. Anot ve katod olarak, gözenekli karbona emdirilmi platin ve rutenyum gibi yüksek elektrokimyasal reaksiyon aktivesi salayan katalizörler kullanılmaktadır. Bu katalizör üzerinde anodda hidrojen gazı hidrojen iyonuna dönüür. 2H 2 4H + + 4e - Elektron dı devreden elektrik enerjisi olarak akarken, Proton (H + ) iyonu polimer elektrolit üzerinden katoda ulaır. Katod tarafında havanın içindeki oksijen polimer elektrolitden gelen proton ve dı devreden dolaan elektronla birleerek su oluturur. O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O PEM yakıt pilinin çalıma sıcaklıı 80 ile 120 C arasındadır. Optimum çalıma basıncı 3 ile 5 bar civarında deiebilir. Bu tür yakıt pilinde, 0.87 Voltda santimetrekare alan baına 600 miliamper elektrik enerjisi elde edilebilmektedir. Ballard Dow chemical irketinin ürettii membranlarla 3.5 barda 1100 ma/cm 2 (0.5 V/cell) deerini hidrojen hava illerinde yakalamıtır. Kullanılır volt ve akım deerlerine ulaabilmek için piller seri ve paralel olarak balanarak bataryalar veya pil dizileri oluturulur. ekil 2 de PEM tipi bir yakıt pili dizisi görülmektedir. Reaksiyonlardan da görüldüü gibi bu tür yakıt pilinin temel yakıtı hidrojendir. Ancak gerçek hidrokarbon yakıtların, yakıt dönütürücü (reformer) adını verdiimiz sistemlerde hidrojene dönütürülmeleri mümkündür. Dönüüm ilemi, nikel temelli katalizör yataklarında buharlatırılmı yakıt-su karıımının kimyasal deiimi ile veya 2

3 yakıtın kısmi hava ile dönüümü ile gerçekleir. Bu reaksiyonlara su ile dönüüm vaya kısmi oksidasyon reaksiyonları adı verilir. ekil 2. PEM tipi yakıt pili dizini Su dönüüm reaksiyonu : C n H 2n+2 + 2n H 2 O n CO 2 + (2n+1) H 2 Kısmi oksidasyon reaksiyonu : C n H 2n+2 + n( O 2 +79/21 N 2 ) nco 2 + (n+1) H 2 O + (79/21) n N 2 eklindedir. Gerçek reaksiyonda yakıttaki karbonun, karbondioksite tam dönümesi salanamıyacaından karbonmonoksit ve hidrokarbonların tam dönüümü salanamadıında çeitli daha düük hidrokarbon zincirli hidrokarbonlar da oluabilir. Reaksiyon hidrokarbonların tamamen dönütürülebilmesini salayacak artlar için kontrol altında tutulmalıdır. Bu reaksiyonlarda bilhassa katı karbon parçacıklarının çıkması, yüzeyleri karbonla kaplayarak reaksiyonların durmasına sebep olduundan tehlikelidir. Bu oluum dönüüm reaksiyonlarında ihtiyaç olan sudan çok daha fazlası salanarak, kısmi oksidasyon reaksiyonunda ise su ilave edilerek salanır. PEM tipi yakıt pillerinde yakıt dönütürücüde oluan karbonmonoksitinde karbondiokside dönütürülmesi gerekir. Karbomonoksit yakıt pilinde zehir etkisi yapar (elektrolit proton geçiini engeller). Bu proses ya alumina gibi seçici katalitik yüzeylerde oksijen (veya hava) kullanılarak gerçekletirilir, ya da karıımdan hidrojenin seçici membranlardan süzülerek saflatırılmasıyla yapılır. Yakıtın içindeki kükürt bileenleri de yakıt pilini zehirler. Bu yüzden yakıtın içindeki kükürt bileenlerinin de alınması zorunludur. Bunun salanması için çinko, molibden oksitleri gibi katalizörlerin kullanıldıı kükürt ayrıtırıcılar kullanılır. ekil 3 de PEM türü bir yakıt sisteminin akı diyagramı görülmektedir. ekilden de görülebilecei gibi, yakıt tankındaki metanol önce ısı eanjörlerinde buhar fazına dönümekte, sonra yakıt dönütürücüde, hidrojen, karbondioksit ve su buharına dönümektedir. Busistemde alumuna katalistli bir karbonmonoksit dönütürücüsü kullanılmıtır. 3

4 ekil 3. PEM tipi, 50 KW güç çıkılı, metanol yakıtlı, yakıt pili akı eması, GM araba dizaynı. Karbonmonoksit karbondiokside dönütükten sonra yakıt karıımı son bir ısı deitirgecinde soutulduktan sonra yakıt piline girmektedir. yakıt pilinden çıkan fakirlemi yakıt ise yanma odasına yakıt olarak verilmektedir. Bu sistemde sistem basıncı 3.5 bar civarında olduundan hava tarafında bir türbo-kompresör gurubu kullanılmı ve giren gazların basıncı, çıkan gazların basıncı kullanılarak yükseltilmitir. Bu sistemde yakıt metanol olduundan sülfür arıtıcı kullanılmamıtır. ekil 4 de yakıt dönütürücü sistemiyle yanma odasının bir arada bir arada dizayn edildii regenerative bir yakıt dönütürücü kesiti görülmektedir. 2.2 Katı Oksit Yakıt Pili Bu yakıt pilindeki elektrolit genellikle Zirkonyumoksit (ZrO 2) ile kararlı kılınmı yittiryum oksit (Y 2 O 3 ) gibi katı bir metal oksittir. Bu tür metal oksitlere seramik denildiinden katı oksitli yakıt pilleri seramik yakıt pilleri olarak da bilinir. Anot elektrik aktivasyonunu salayan nikel karıtırılmı zirkonyum seramiinden yapılır. Katod da LaCo 1-x Mn x O 3, x = veya LaSrMnO 3 gibi seramik yapılardan 4

5 ekil 4 Regenerativ yakıt dönütürücü kesiti oluur. Elektrotlar seramik yüzeye ya mürekkep eklinde uygulanıp, yüksek sıcaklıklarda fırınlanarak, ya da plazma (çok yüksek sıcaklıklı maddenin dördüncü hali) spreyi eklinde püskürtülerek uygulanır. Bu yakıt pilinde PEM türü yakıt pilinden farklı olarak oksijen iyonu (negatif yüklü) elektrolitten geçmektedir. yonize olan oksijen atomu olduundan dolayı anod tarafında herhangi bir hidrokarbon yakıtı kullanılabilir. Katodda dı devreden gelen elektronla Oksijen iyonlatırılır. O 2 + 4e - 2O 2- Oksijen iyonu seramik elektrolitten anot tarafına iletilir. Anotta yakıt oksijen iyonuyla birleir, yanma gazları ve elektron açıa çıkar. 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - 2CO + 2O 2-2CO 2 + 4e - Elektron dı devreden katot tarafına aktarılır. ekil 5 de bu çalıma prensibi ematik olarak da gösterilmektedir. O 2- Hava Yakıt O 2 + 4e - 2O 2- CO + O 2- CO 2 + 2e - H 2 + O 2- H 2 O + 2e - CH 4 + O 2-2H 2 O + CO 2 + 8e - Katod : LaCo 0.8 Mn 0.2 O 3 LaSrMnO 3 Anod : Gözenekli nikel zirkonyum karıımı (Ni-ZrO 2 ) Elektrolit : 0.08 Y 2 O ZrO 2 ekil 5 Katı oksitli yakıt pilinin çalıma prensibi 5

6 SOFC türü yakıt pilleri göreceli olarak yüksek sıcaklıklarda çalıır. Çalıma sıcaklıkları C arasındadır. Bunun temel nedeni göreceli olarak daha büyük olan oksijen iyonunun katı seramikten yapılmı bir elektrolitten geçirme zorunluluudur. Geçii kolaylatırmak için elektrolit levha mümkün olduu kadar ince olarak dizayn edilir (50-70 mikron). Çalıma basınçları düük (atmosferik) veya yüksek olabilir. Bu dizayn artlarında yakıt pili 0.78 V da santimetrekare baına 600 miliamper civarında elektrik enerjisi üretebilir. Yüksek basınçlı sistemlerin gaz türbünleri ile integrasyonunun salanıp toplam sistem elektrik enerjisine dönüme verimlerini %70 lere varan seviyelere getirmek mümkündür. Bu sistemlerin çalıma sıcaklıkları yüksek olduundan ısıtma sistemi uygulamalarında kullanımları da göreceli olarak kolaydır. Bu tür yakıt pilinde de PEM tipi yakıt piline benzer yan iletim sistemleri kullanılır. Ancak bu piller için karbonmonoksit bir yakıt olduundan (zehir etkisi göstermez) karbonmonoksit elimine sistemine gerek duyulmaz. Ayrıca asıl yakıt dönütürme ilemi yakıt pilinin içinde elektrokimyasal olarak yapılabildiinden sadece bir ön yakıt iyiletirme (kısmi hidrojen ve metanlatırma) ilemi uygulanır. ekil 6 da 2 KW lık SOFC tipi bir yakıt pili sisteminin resmi görülmektedir. ekil 7 de ise aynı tür yakıt pilinin akı diyagramı verilmitir. ekil 6 Doal gazla çalıan, 2 KW gücünde katı oksitli yakıt pili sisteminden bir görüntü, Ceramic Fuel Cells Limited Avustralya 6

7 ekil 7 2 KW SOFC doal gaz yakıtlı yakıt pili sistemi 7

8 3. YAKIT PLLERNN KULLANILMA ALANLARI VE GELECE Yakıt pilleri teknolojisi yüksek verimi ve modüler yapısıyla elektrik enerjisi üretiminde çıır açacak ve yeni bir dönemi balatacaktır. Yakıt pillerinin hidrokarbon temelli çalıma prensipleri hidrokarbon yakıtların tükenmesiyle bu tür teknolojilerin kullanılmalarının bitecei gibi bir düünce getirirse de bu doru deildir. Yüksek verimli bir kimyasal yakıt-elektrik enerjisi dönüüm yöntemi olduundan, güne enerjisi, termonükleer enerji gibi birincil derecedeki enerji kaynaklarından kimyasal yakıt elde edilerek tüketiciye bu ekilde ulatırılması ve tüketim ortamında yakıtın tekrar elektrik enerjisine dönütürülmesi pratik olacaktır. Ayrıca yakıt pillerinin kömür dahil her türlü yakıtı yakabilme avantajı, birinci derece hidrokarbon yakıtlarının yakıt pilleriyle kullanılabilme olasılıklarını, içten yanmalı motorlara göre de cazip kılmaktadır. Yakıt pilleri, çevre kirlenmesi yönünden klasik elektrik enerjisi dönüüm sistemleriyle karılatırıldıında oldukça caziptir. Gerek yüksek çalıma verimleri, gerekse yanma reaksiyonuna göre çok daha kontrollü olarak oluturulan elektrokimyasal dönüüm reaksiyonu nedeniyle kükürt ve azot oksit emisyonu sıfıra yakın deerlere düürülürken, karbondioksit emisyonu da azalmaktadır. Bu ise atmosferimizdeki sera etkisinin gittikçe önem kazandıı günümüzde oldukça önemli bir faktördür. Yakıt pillerinin u andaki en önemli uygulama alanı ulaım endüstrisinde içten yanmalı motorlara bir alternatif olarak gelitirilmesidir. Dünyadaki hemen hemen tüm otomobil irketleri yakıt pilleri sistemleri üzerinde çalımaktadırlar. Halen ilk prototip çalımaları sürmekte olup, yıllarında yakıt pili ile çalıan ulaım araçlarını karayollarında görmeye balıyacaız. Elektrik enerjisi üretim sektöründe de oldukça fazla miktarda aratırma yapılmaktadır. u anda 10 MW civarında yakıt pili santralları halen çalımaktadır, ancak elektrik enerjisi üretim aında yakıt pillerinin aırlıını hissettirmesi belli bir zaman alacaktır. Uzun vadede evlerimizde yeni bir beyaz eya olarak yakıt piline dayanan elektrik ve ısı elde etme ünitesi görme olasılıımız oldukça yüksektir. 8