Sir William Grove seyreltik sülfirik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elektrottan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijenden elektrik üretmeyi başarmıştır. Daha sonraki yıllarda Grove, önceki çalışmasında kullandığı sistemden elli tanesini birleştirerek oluşturduğu bir sistemde daha fazla elektrik akımı üretmeyi başarmıştır
Yakın Tarih Keşif 1839 1932 1952 NASA Uzay Çalışmaları 1960 Traktör 1980 Tren 1990 Denizaltı ve Uçak Günümüz Kara Araçları Güç Santralleri Elektronik Cihazlar Geliştirme Çalışmaları
L. Mond ve C. Langer, 1889 yılında hava ve endüstriyel kömür gazını kullanarak ilk pratik yakıt hücresini oluşturmak üzere girişimde bulunmuşlardır. Bu girişimler 20. yüzyılın başlarına kadar başarısız olmuştur. Ayrıca petrolün keşfedilmesi ve kullanımının yaygınlaşması, içten yanmalı motorların geliştirilmesi, enerji üretiminde kullanılan elektro kimyasal yaklaşımları geri plana itmiştir
1930 lu yılların başlarında kimya mühendisi olan Francis Bacon un çalışmaları ile tekrar hız kazanmıştır. Bacon 1959 yılında, bir kaynak makinesine güç sağlayan, 5kW lik pratik bir sistem kurmayı başarmışlardı. Aynı yıl Harry Karl Ihring, 20 beygir gücünde yakıt hücresi ile çalışan traktörü çalıştırmayı başarmıştır. 1950 lerin sonlarında Amerikan Ulusal Havacılık ve Uzay İdaresi (NASA), insanlı uzay araştırmaları için yakıt hücreleri geliştirmeye başlamıştır. NASA, geliştirdiği yakıt hücresi ile 1968 yılındaki Ay a ilk insanlı uçuşta başarı sağlanmıştır. 1960 larda bir süre ara verildi. Ara verilmesinin sebebi malzeme problemleriydi. Sistemlerin tasarımları başarısızdı ve çalışma (işletme ) ömürleri kısaydı. Çok daha önemlisi pahalılığıydı.
1950: General Electric (GE) GE Polimer Elektrolit (PEM) Yakıt Pillerinin araştırma ve geliştirme çalışmalarına başladı. 1960: Gemini Gemini uzay mekiği GE tarafından üretilen PEM Yakıt Pilini kullandı. 4 Dupont firmasının Nafion zarını geliştirmesiyle PEM Yakıt Pilleri için yeni bir devir başladı. Gemini uzay mekiğinde kullanılan PEMFC
1970 lerin ortalarında tekrar ilgi arttı. Uzay programlarında yüksek gelişmişlik seviyesine olaşan Alkali Yakıt Hücresi (AYH) sistemlerinin sabit güç üretim sistemlerinde uygulanabilirliği görüldü ve başka bir tür olan Fosforik Asitli Yakıt (FAYH) hücreleri yaygınlaştı. FAYH sabit güç istasyonları Japonya ve ABD de çok sayıda 50-100kW tan 10 mw ta kadar değişik boyutlardaki güç istasyonlarında kabul edilebilir çalışma şartlarına ulaşıldı. Paralel olarak hidrokarbonların yakıt olarak kullanımına yönelik olarak reformerların gelişimi başladı. Yüksek sıcaklık tesisinden çıkan ısıyla birlikte toplam verimliliği daha iyi yapmak için 1980 lerde Erimiş Karbonatlı Yakıt Hücrelerinin gelişmesi ve 1990 larda Katı Oksit Yakıt hücrelerinin gelişmesi hızlandı. 1990 lı yıllar yakıt hücresi teknolojisinde bir dönüm noktası olmuştur. 1960 lı yıllarda bilinmesine rağmen iyi sonuçlar alınamayan membran yakıt hücreleri, yeni membran ve katalizörlerin geliştirilmesiyle 1990 larda diğer hücrelerin önüne geçmiştir.daha önce bilinmesine karşın uzay yakıt hücresi projelerinde dikkat çekici rol oynamayan ancak kataliz araştırmaları ve yeni membran tiplerinin bulunmasının bir sonucu olarak yüksek güç yoğunluklarına ulaşılan Membran Tipli Yakıt hücreleri geliştirildi. İşletme ömürleri de dikkat çekici bir şekilde gelişti. Tek önemli dezavantaj olarak membranların pahalı oluşu ve sistem suyunu uzaklaştırmakta kullanılan ilave sistemlerin pahalı oluşuydu. Staxon firması, 2006 yılında ucuz yakıt hücresi sloganıyla birçok şirkete fason üretim sağlayıp kendi ismiyle dünya piyasasına girmiştir. Bu gelişmeyi İngiltere merkezli Angstrom Power şirketi benimseyip portatif ve kullanışlı micro hydrogen marka yakıt hücreleri ile uzay ve havacılık şirketleri, askeri şirketler, doğa ve doğa sporlarıyla uğraşan şirketler içinde büyük satış değerleri elde etmiştir.
Yakıt hücreleri yanma olmaksızın ve herhangi bir ara eleman kullanmaksızın bir yakıtın (ve oksidan) kimyasal enerjisini, elektrik ve ısı formunda kullanılabilir enerjiye sürekli olarak çeviren galvanik güç cihazıdır. Bataryalar gibi yakıt hücreleri de enerjiyi elektro kimyasal olarak dönüştürürler.
Yakıt hücreli güç sistemlerinin türbin gibi hareketli kısımlarının olmaması ve elektro kimyasal prensiple çalışmaları nedeniyle geleneksel güç üretim sistemlerinden farklıdır. Yakıt pili elektrokimyasal bir enerji dönüştürücüsüdür H2 nin kimyasal enerjisini doğrudan elektriğe dönüştürür
Yakıt hücreleri ile bataryalar arasındaki fark yakıt hücrelerine enerji kaynağının sürekli beslenmesi olayıdır. Bir yakıt pilinde yakıt ve oksitleyici maddeler dış bir kaynaktan sürekli olarak beslenir ve beslenmeye devam edildiği sürece hücreden akım elde etmek mümkündür. Şarj edilmeleri gerekmez. Bir bataryada yakıt ve oksitleyici (metal/hava bataryaları dışında) cihazın birleşik bir ana parçasıdır. Batarya bu elemanının miktarı ve kullanımıyla orantılı olarak elektrik üretir. Bu kısım bittiğinde ya değiştirilmeli yada yeniden şarj edilmelidir.
Yakıt hücrelerinde elektrot malzemeleri inert maddeler olduğu için reaksiyonla tükenmezler. Ancak katalitik özellikleri değişebilir. Yakıt pillerinde anot aktif maddeleri genellikle (H2, metanol, hidrokarbonlar, doğal gaz, gibi) gaz veya sıvı yakıtlardır. Bataryalarda ise bilindiği üzere aktif madde çoğunlukla metaldir.
Şekilden de görüldüğü gibi yakıt hücreleri herhangi bir ara birim kullanmadan yakıtın sahip olduğu enerjiyi doğrudan elektriğe çevirmekte; oysa geleneksel sistemlerde; yani
Isı makinelerinde aynı yakıt kullanılabilir ancak hidrojen havanın oksijeni ile yanarak Eş. 2.1 ile verilen reaksiyon gereğince su oluşturur. Egzotermik olan bu reaksiyon sonucu, suyun yanı sıra ısı da açığa çıkar. Isı makinesi bu ısıyı kullanır. Reaksiyon : 2H 2 + O 2 2H 2 O (2.1.) Yakıt hücresindeki kimyasal reaksiyonda tamamen aynıdır. Fakat ışık ve ısı enerjisi yerine elektrik enerjisi üretilir.
Yüksek verimlilik Düşük veya sıfır emisyon Hidrojenle çalışma enerji bağımsızlığı Basit oluşu Hareketli parça içermemesi, uzun ömür Modüler yapı Sessizlik Şarja gerek duyulmaması
Yüksek saflıkta yakıt kullanırlar. Eğer hidrojen %90 ın altına düşerse, verim de düşmeye başlar. Hidrojen in ekonomik üretimi sorunları var. Hidrojen in kolaylıkla, depolanabilir ve dağıtılabilir konumda olmaması. Yakıt dönüştürücü kullanmak şarttır. Yakıt dönüştürücünün yüksek maliyet, ısınma süresi ve karbonmonoksit gibi sorunları var.
YAKIT PİLİ ÇALIŞMA PRENSİBİ Şekil de görüldüğü gibi iki adet katalitik elektrot; anot (negatif elektrot), katot (pozitif elektrot) ve bunların içine daldırıldığı (sıvı elektrolitli sistemlerde bir de gaz bariyeri) veya aralarında olan ve bunları birbirinden ayıran bir elektrolitten oluşur. Oksijen katot yüzeyi üzerinden geçerken, hidrojen zengini yakıt gaz da, anot yüzeyinden geçer ve aşağıda verilen reaksiyon mekanizması gerçekleşir. gerçekleşir.
Elektrolitik hücre reaksiyonu H 2 + ½ O 2 H 2 O
Yakıt işleme ünitesi Güç üretim sistemi Güç döndürücü
Yakıt Pili Sistemi Yapısı Bir yakıt hücresi güç üretim sistemi Şekilde görüldüğü gibi metanol veya doğal gaz, kömür gibi fosil yakıtlardan hidrojen zengini gaz üreten bir yakıt işleme ünitesi, yakıt hücre grubu, hücrede üretilen DC gerilimini, ticari kullanım için AC gerilimine çeviren bir dönüştürücü ve ısı geri kazanım ünitesinden oluşmaktadır.
1.Yakıt İşleme Ünitesi (reformer) Hidrojen, metanol, doğalgaz yakıt pilinde doğrudan beslenerek kullanılabilir. Yakıtın dolaylı beslenmesinde bir ön işlem uygulanmaktadır. Ön işlemler Reformasyon, Katalitik reformlama, Isıl cracking ve kısmi oksidasyon olarak sıralanabilir. Yakıt işleme ünitesi, yakıt beslemesinin olduğu, dolaylı beslemede ön işlemin gerçekleştiği ünitedir. 2. Güç Üretim Sistemi(Yakıt pili modülü (stack)) 3. Güç Döndürücü Hücrede üretilen doğru akımı ticari kullanım için alternatif akıma (DC/AC gerilim çevirici) çeviren ünitedir. 4. Kontrol sistemi Sistemin tüm işleyişini denetleyen birimdir
Termodinamik Karakteristikler Bir yakıt hücresinin performansı (Şekil de verilen) hücre yoğunluğuna karşı hücre voltajı (ya da polarizasyon ) eğrisiyle temsil edilir. Tek hücreli bir H2/O2 yakıt pilinde ideal olarak oda koşullarında DC 1,23 V üretilebilirken pratikte bataryalar bölümünde de bahsedildiği gibi kullanılabilir voltaj çıktısının ideal değerden daha düşük olduğu ve boşalma hızının (akım yoğunluğu) artmasıyla azaldığından kaynaklanmaktadır. Voltajdaki bu azalma ve düşüşler polarizasyon eğrisi diye adlandırılan eğrilerle verilir.
Bu kayıplar : 1. Elektrot reaksiyonları ile birleştirilen enerji kayıplarıyla temsil edilen Activation polarization kayıplarını içerir. Çoğu kimyasal reaksiyonlarda reaksiyonun ilerleyebilmesi için gerekli olan enerji bariyerinin aşılması gereklidir. Bu elektro kimyasal reaksiyonlarda aktivasyon enerji kaybı olarak (polarizasyonu) tanımlanır ve aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir. burada η act activation polarization, mv a, b, constants i current density, ma/cm2 Activation polarizationu her elektrot için ayrı yazılıp ikisi toplanarak ifade edilir.
2. Ohmic polarizasyon hücre içindeki ohmik kayıpların tümünün toplamını temsil eder. Elektrotlar, temas yüzeyleri, akım toplayıcılar arasındaki ve elektrolitteki elektronik impedansları içerir. Bu kayıplar Ohm kanunuyla verilir. η ohm ; ohmic polarization, mv i ; current density, ma/cm 2 R ; total cell impedance, Ω.cm 2
3. Konsantrasyon polarizasyonu kütle transfer etkileriyle ilişkili enerji kayıplarını temsil eder. Örneğin bir elektrot reaksiyonunun performansı reaktanların reaksiyon bölgesine difüzyon veya reaksiyon bölgesinden ürünlerin ters yönde difüzyon güçlükleriyle engellenebilir. Doğrusu Şekil 2.2 dende görüldüğü gibi limit akım yoğunluğundaki (i L ) bazı akımda ulaşılan bir durum olacaktır ki bunun nedeni difüzyon prosesiyle akımın tamamen sınırlanmasıdır. Konsantrasyon polarizasyonu şöyle ifade edilebilir; Burada;
burada η conc ;konsantrasyon polarizasyonu, mv R ; gaz sabiti T ; sıcaklık,k n ; elektron sayısı F ; Faraday sabiti i ; akım yoğunluğu, ma/cm2 il ; limit akım yoğunluğu, ma/cm2 Konsantrasyon polarizasyonu her iki elektrotta bağımsız olarak meydana gelir. Bu yüzden hücre için toplamı alınır ve;
Çizelge 1. Yakıt Hücresi Sistemlerinin Sınıflandırılması Yakıt Pili Çeşidi Elektrolit Çalışma Sıcaklığı, C Alkali Yakıt Pili (AFC) KOH 50-90 Polimer Elektrolit Yakıt Pilleri (PEMFC) Doğrudan Metanol Kullanılan Yakıt Pili (DMFC) Polimer 50-120 ( 80 C) Sülfürik Asit veya Polimer 50-120 Fosforik Asit Yakıt Pili (PAFC) Orto Fosforik Asit 160-220 Erimiş Karbonat Yakıt Pili (MCFC) Katı Oksit Yakıt Pili (SOFC) Li/K Karbonat Karışımı Stabilize Zirkonyum 600-700 650-1000