Şekilde görüldüğü gibi Gerilim/akım yoğunluğu karakteristik eğrisi dört nedenden dolayi meydana gelir.

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "Şekilde görüldüğü gibi Gerilim/akım yoğunluğu karakteristik eğrisi dört nedenden dolayi meydana gelir."

Aylin Halefoğlu
8 yıl önce
İzleme sayısı:

1 Bir fuel cell in teorik açık devre gerilimi: Formülüne göre 100 oc altinda yaklaşık 1.2 V dur. Fakat gerçekte bu değere hiçbir zaman ulaşılamaz. Şekil 3.1 de normal hava basıncında ve yaklaşık 70 oc da bir yakıt hücresinin çalışma eğrisi görülmektedir. Dikkat edilecek noktalar: Açık devre gerilimi bile teorik değerden daha küçüktür. Başlangıçta gerilimde ani düşüş vardır. Daha sonra lineer olarak bir gerilimde düşüş vardır. Çekilen yüksek akımlarda gerilim daha hızlı düşmeye başlar. Fuel Cell Tersinmezlikleri Gerilim Düşümünün Nedenleri Şekilde görüldüğü gibi Gerilim/akım yoğunluğu karakteristik eğrisi dört nedenden dolayi meydana gelir. 1. Aktivasyon kayıpları: Bu kayıp elektrotların yüzeyinde meydana gelen reaksiyonların yavaşlığından kaynaklanır. Tepkime esnasında üretilen gerilimin bir kısmı, elektron transferi sırasında kaybolur. 2. Yakıt atlaması ve iç akım kayıpları: Atık yakıtın elektrolitten geçmesi ve elektronların dış devre yerine elektrolitten geçmesinden kaynaklanan kayıplardır. 3. Omik kayıplar: Elektronların ve iyonların akışına elektrodların ve elektrolitlerin göstediği dirençten kaynaklanır. Bazen resistif(direçsel) kayıplarda denir. 4. Kütle aktarım veya Konsantrasyon kayıpları: Elektrotların yüzeyinde reaktantların konsantrasyonundaki değişimden kaynaklanır. Konsantrasyon gerilimi etkiler ve böylece bu tip tersinmezliklere konsantrasyon kayıpları denir. Çünkü konsantrasyon düşüşü yeterince

Başlangıçta gerilimde ani düşüş vardır. Daha sonra lineer olarak bir gerilimde düşüş vardır. Çekilen yüksek akımlarda gerilim daha hızlı düşmeye başlar.

2 reaktantın elektrot yüzeyine aktarımını engeller. Bu tip kayıplar sık sık kütle aktarım kaybı olarak adlandırılır. Bazen de Nernstian kayıpları olarak adlandırılır. 1. Aktivasyon kayıpları 1.1 Tafel eşitliği Tafel yaptığı deneylerde, çok değişik elektrokimyasal reaksiyonlarda, bir elektrot yüzeyindeki aşırı gerilimin benzer davranışlar gösterdiğini tespit etti. Bu davranışlar şekilde görülmektedir. Grafikten görüldüğü gibi, aşırı gerilim değerinin bir çok değeri için grafik bir doğruya yaklaşır. Bu gibi aşırı gerilim akım yoğunluğunun logaritması Tafel Eğrileri olarak bilinir. Bu eşitlik Tafel eşitiliği olarak bilinir. Değişik şekillerde ifade edilebilir. Mesela PEM tipi bir yakıt pili için A sabiti: Elektrokimyasal reaksiyonyavaşsa A sabiti çok büyüktür. Eğer reaksiyon çok hızlı ise İ 0 sabiti çok yüksektir. α sabiti, yük transfer katsayısı(charge transfer coefficient) olarak adlandırılır ve elektrot malzemesiyle ilişkilidir. Hidrojen elektrotu için, bir çok malzeme için, 0.5 civarındadır. Oksijen elektrotu içinse arasındadır.

Bu davranışlar şekilde görülmektedir. Grafikten görüldüğü gibi, aşırı gerilim değerinin bir çok değeri için grafik bir doğruya yaklaşır.

3 T sıcaklıktır. Sıcaklık arttığı zaman aşırı gerilim de artar. İ 0 akım yoğunluğu, Exchange akım yoğunluğu olarak adlandırılır. Bir PEM tip yakıt hücresinin oksijen elektrotundaki reaksiyon: Sıfır akım yoğunluğunda, elekrotta herhangi bir aktivite olmadığını kabul edebiliriz. Dolayısıyla herhangi bir reaksiyon gerçekleşmez. Aslında, bu doğru bir kabul değildir. Çünkü reaksiyon her zaman oluşur. Fakat aynı oranda ters reaksiyonda oluşur. Yani aşağıdaki gibi bir denge vardır: Böylece, sürekli elektronların elektrolite, elektrolitten hidrojen elektroduna hareketi vardır. Bu durum, İ 0 akım yoğunluğudur. Elektrolitten elektroda ne kadar çok iyon transfer edilirse, tersinden olan akım trasnferide o kadar az olur. Dolayısyla, İ 0 akım yoğunluğu iki değerin farkı olduğu için kayıp akım miktarı az olur. Bu nedenle yakıt pilinin performansını kontrol etmede çok önemlidir. Tafel eşitliğini tekrar düzenlersek; Tafel eşitliğine alternatif olarak kullanılan Butler Vollmer eşitliğini elde ederiz. Oksijen elektrotunda meydana gelen İ 0 diğer elektrotta olandan yaklaşık 10 5 katı daha küçük olduğu için anotta oluşacak gerilim düşümü formüldeki orandan dolayı çok küçük olacağından tafel eşitliğinde katot elektrotunun İ 0 değeri kullanılır.

Aslında, bu doğru bir kabul değildir. Çünkü reaksiyon her zaman oluşur. Fakat aynı oranda ters reaksiyonda oluşur.

4 Bit hücrenin çalışma şartları altındaki gerilim değeri, Tersinir açık devre geriliminden aktivasyon kayıplarının çıkarılması halinde: elde edilir. Not: Yüksek sıcaklılarda ve basınçlarda çalışan (~750 o C ) yakıt hücrelerinde bu kayıp çok küçüktür. 2. Yakıt atlaması ve iç akım kayıpları Elektrolit sadece iyonları geçirmesi gerekirken çok az oranda da elektronları geçirebilir. Ayrıca, biraz hidrojende katalizlenmeden direkt olarak elektrolitte ve katoda difuse olabilir. Burada oksijenle reaksiyona girerek akım üretmeye bilir. Bu atık hidrojenin elektrolite geçmesine Yakıt atlaması (fuel crossover) denir.

Yakıt atlaması ve iç akım kayıpları Elektrolit sadece iyonları geçirmesi gerekirken çok az oranda da elektronları geçirebilir.

5 Ayrıca, anotta üretilen elektronlar, ayni şekilde dış devre yerine elektrolitten geçerek katoda ulaşır. Boylece bir akım kaybı meydana getirir. Fuel crossover ile iç akım kaybı aynı şeyi ifade ettiğinden Yazılabilir. Burada i n iç akım yoğunluk değeridir. 3. Omik kayıplar Elektrotların elektriksel direnci ve elektrolitin ionların akışına gösterdiği dirençlerden dolayı oluşan kayıplardır. Burada i, akım yoğunluğu, r ise bir hücrenin 1 cm 2 için meydana gelen dirençtir. Bazen bu direnç, Alan spesifik direnci (area specific resistance, ASR) olarak da adlandırılır. Eğer i, ma cm 2 olarak verilirse ri kω cm 2 olarak verilmelidir. 4. Kütle aktarım veya Konsantrasyon kayıpları Katotta oksijen konsantrasyonu, yakıt hücresinden çekilen akıma göre, katotta havanın sirkülasyon hızına, yeterince beslemeye bağlı olarak yavaşça azalmaya başlayacaktır. Bu durum oksijenin kısmi basıncında azalmaya neden olacaktır. Benzer konsantrasyon kaybı Hidrojende de olacaktır. Her iki durumda da gerilimde bir düşüş olacaktır. P1: İ 1 akım sıfır olduğundaki basınç P2: herhangi bir İ, akım değerindeki basınç Parantez içindeki ifade devamlı negatif olacağından ve kayıpda negatif olması gerektiğinden ( ) işareti eşitliğin önüne konur. Bu eşitlikler, aşağıdaki gibi sadeleştirilmiştir(kim et al. 1995).

Omik kayıplar Elektrotların elektriksel direnci ve elektrolitin ionların akışına gösterdiği dirençlerden dolayı oluşan kayıplardır.

6 TOPLAM KAYIPLAR Son eşitlikte aktivasyon kayıpları içindeki crossover akımı (i n ) çok küçük olduğundan ve ölçümü çok zor olduğundan ihmal edilebilir. Pratikte gerçek açık devre gerilimi: Eşitliği ile ifade edilir. E teorik tersinir açık devre gerilimidir. E oc E den daima küçük olacaktır. Çünkü io çok küçüktür ve logaritması negatif olacaktır. Son iki eşitiliği genel kayıp formülünde yazarsak ve crossover akımı (i n ) nı ihmal edersek: eşitiliğini elde ederiz.

E teorik tersinir açık devre gerilimidir. E oc E den daima küçük olacaktır.

Benzer belgeler

Elektrik. Yakıt Hücreleri ve Piller

Elektrik. Yakıt Hücreleri ve Piller Elektrik Yakıt Hücreleri ve Piller Yakıt Hücresi: Alışıla gelmiş elektrik üretim sistemleri yakıtın içindeki enerjiyi elektriğe dönüştürmek için ilk olarak yanma reaksiyonunu kullanır. Yanma reaksiyonunun