YAKIT HÜCRELERİ YAKIT PİLİ Verim % 25-30
Yakıt Hücresi (Pili) Yakıt pilleri, yakıt ve oksitleyicinin elektrokimyasal reaksiyonu sonucu çıkan enerjiyi dönüşüm gerekmeksizin elektriğe yüksek verimle çeviren cihazlardır. Elektrotlara yakıt ve oksitleyici beslendiği sürece elektrik üretirler. Yakıt Hücresi Gaz moleküllerindeki Kimyasal enerjiyi doğrudan Elektrik enerjisine çeviren elektrokimyasal cihazlar. Hareketli parça içermeyen bu sistemlerle kimyasal enerjinin %60-70 inin elektrik enerjisine dönüşümü mümkündür.
Yakıt Hücresinin kısımları: Anot Katot Elektrolit Elektrotlar, gaz geçirgen ve gözeneklidir. Yakıt (hidrojen) anoda, oksitleyici (oksijen/hava) katoda beslenmektedir. Elektronlar katoda dış devre yoluyla taşınır (elektrik üretimi), hidrojen iyonları elektrolitte göç ederler. Katotta, oksijen ve hidrojenin reaksiyonuyla Su elde edilir. Anot : yakıtı iyon ve elektronlara ayrıştırır (Pt) Katot : iyonları atık ürünlere (su, CO 2 ) dönüştürür Elektrolit : iyonları iletir! elektronları iletmez!
Yakıt Pili Sistemi Avantajları Enerji üretim verimi yüksektir (yanma yok) Şarja gereksinim yok Çevresel etkileri düşük (Emisyon düşük, atık yok, sadece su), Farklı tipe yakıtlarla çalışabilir (doğal gaz, LPG), Soğutma suyu gerektirmez, Hareketli parça yok (sessiz) Boyut esnekliği, basit yapı, kolay montaj Uzun ömürlü, dayanıklı
Dezavantajları Şimdilik maliyeti yüksek Tanıdık olmayan bir teknolojidir, uzman personel az Bazı yakıtlar için (hidrojen) dağıtım altyapısı yok Hidrojen tehlikeli ve pahalıdır, depolaması zor YAKIT PİLİ YIĞINI
YAKIT HÜCRESİ TÜRLERİ
Alkali Yakıt Pili Yakıt Hücresi Türleri Fosforik Asit Yakıt Pili Erimiş Karbonat Yakıt Pili Katı Oksitli Yakıt Pili Büyük Güç Üniteleri Otomobil Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pili Doğrudan Metanol Yakıt Pili Taşınabilir cihazlar Fosforik Asit Yakıt Pili Erimiş Karbonat Yakıt Pili Katı Oksitli Yakıt Pili Yüksek Sıcaklık Yakıt esnekliği Alkali Yakıt Pili Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pili Doğrudan Metanol Yakıt Pili Düşük Sıcaklık Saf H 2
Avantaj-Dezavantajlar PEM Akım değiştirilebilir, otomobillere uygundur. Düşük sıcaklık DMFC Düşük akım, taşınabilir cihazlar Fosforik Asit (PAFC) Sabit güç istasyonlarında kullanılır Alkalin (AFC) Ni katalizör Verimli, NASA araçlarında kullanım Seramik Oksit (SOFC) Ucuz katalizör, ucuz yakıt Sabit güç istasyonları Erimiş Karbonat (MCFC) Ucuz katalizör, metan kullanımı Megawatt güçlerinde büyük tesisler Pahalı katalizör, saf hidrojen Pahalı katalizör Düşük elektrik verimi, pahalı, korozif Saf H 2 ve O 2 Kullanımı zor Yüksek sıcaklık Yüksek sıcaklık Korozif elektrolit
ALKALİ YP Alkali Yakıt Pili (AFC) Uzay gemilerinde (Apollo) kullanılmıştır. Oldukça verimlidir Elektrolit olarak KOH kullanılır. Sinter Ni elektrod. Ni katalizör (ucuz) Dezavantajı havada bulunabilecek CO 2 işletimini etkilemektedir. Saf hidrojen ve oksijen kullanımını zorunludur. Kullanımı zordur.
FOSFORİK ASİT YP
Fosforik Asit Yakıt Pili (PAFC) İlk ticari yakıt pili Elektrolit fosforik asit çözeltisi olup, SiC matrisin içinde tutulur. Elektrot olarak Pt katalizör içeren gözenekli karbon kullanılır. Fosforik asidin düşük sıcaklıklarda iletkenliğinin düşük olması nedeniyle yüksek sıcaklıklarda çalışılır. CO 2 den etkilenmez Fosforik Asit Koroziftir! Düşük verim! Pahalıdır! Sabit güç istasyonlarında kullanım!
ERİMİŞ KARBONAT YP Erimiş Karbonat Yakıt Pili (MCFC) Elektrolit alkali (Li, Na, K) karbonat olup, elektrolit gözenekli LiAlO 2 seramik matris içinde tutulur. Anot olarak sinterllenmiş gözenekli Ni-Cr, katot Li-Ni oksit kullanılır. Verim Yüksektir, Safsızlıklardan az etkilenir. Dezavantajı yüksek çalışma sıcaklığı ve korozif elektrolit. Ucuz katalizör, metan kullanımı Megawatt güçlerinde büyük tesisler
KATI OKSİT YAKIT PİLİ
Katı Oksitli Yakıt Pili (SOFC) Elektrolit: gözeneksiz metal oksitler, %10 Y 2 O 3 içeren ZrO. Elektrot: anot olarak Ni- ZrO 2 veya Co-ZrO 2, katot olarak Sr yüklenmiş LaMnO 3. Yüksek sıcaklıklara çıkmak mümkün olduğundan (~1000 C), pahalı katalizör kullanımına gerek duyulmaz ve yakıt dönüştürmeye olanak sağlar (Yakıt Esnekliği). Yüksek verimlidir (%70), Uzun Ömürlüdür
Polimer Elektrolit Membran YP PEM-YP Elektrolit: Polimer membran (katı) Membran: Sülfonik asit grupları tutturulmuş Teflon Elektrot: Pt katalizör tabakasıyla desteklenmiş gözenekli karbon. Katalizör: Pt, Pd Yakıt: Fosil yakıtlar, saf hidrojen ve oksijen Sıcaklık: 20-120 o C Uygulama: taşıma araçları, güç kaynakları
Avantajları Hücrenin içinde korozyona neden olacak sıvı yoktur Hücreyi üretmek basittir Düşük sıcaklık sebebiyle yük değişimlerine uyum sağlarlar. Taşımacılık sektöründe faydalıdır. Yakıt tanklarından lastiklere verim %55 dir. (benzinli araçlarda %30) Yüksek güç yoğunluğu, düşük ağırlık ve hacim. Düşük sıcaklıklarda çalışırlar (~80 C). Dezavantajları Florlu polimer elektrolitler pahalıdır Membranda su yönetimi kritiktir, Uzun süreli, yüksek performanslı ve az katalizörlü elektrotlar gerekir
PEM-YP 4 bölümden oluşur Polimer elektrolit membran (PEM) Gaz Difüzyon Tabakası (GDT) Katalizör Tabakası Gaz akış plakları PEM Elektrolit, proton geçirgen membrandır. Membranın iki tarafında gözenekli elektrotlar bulunur. Elektrotlar, gazların membrana ulaşmasını sağlar. Reaksiyonlar katalizör tabakasında gerçekleşir. Katalizör, elektrodun-membranın parçasıdır. Bu birime membran-elektrot birimi (MEB) denir. MEB iki bipolar plaka arasında bulunmaktadır. Bu plakalar gazları elektroda dağıtır ve akımı yan hücreye geçirmeye yetecek elektrik iletkenliğine sahiptir. H 2 katalizörde proton ve elektronlarına ayrılır. H + membrandan katoda ilerlerken, geçişi engellenen elektronlar dıs devreden geçer. Katoda ulasan hidrojen O 2 ile birleşir ve su oluşur.
PEM yakıt pilinin tabakaları Membran / Elektrolit Membran, anot ile katot arasında iyonik iletişimi sağlar ve gazları ayırır. Membranın yüksek proton iletkenliğine sahip olması istenir. Membran proton iletken olması için sulandırılmalıdır.
Membran, perfluorokarbon esaslı iyon değistiricidir. Günümüzde teflon kökenli Nafion kullanılır. NAFİON yüksek kimyasal ve ısıl karalılığa sahiptir. Teflon iskelete sahiptir. Üzerinde sülfonik asit grupları vardır. Teflon iskelet suyu sevmeyen, sülfonik asit grupları suyu seven yapıdadır. Membranın kuruması proton iletkenliğini düşürür. Suyun fazlası su taşmasına sebep olur ve gazların katalizöre ulaşmasını engeller. Membrandan beklenen özellikler Kimyasal etkilere dayanıklılık Mekanik olarak güçlü oldukları için ince yapılabilmeleri Asit özellikte olmalı Büyük miktar su tutabilmeleri Proton ileticisi olmalı. Bu özellikler membranın su miktarı ile ilgilidir.
Perfluorosulfonic acid (PFSA) - Ticari ismi Nafion (DuPont) Nafion Hidrofob omurga (Teflon) İletken olmayan Kimyasal kararlılık Mukavemet Çıkan suyu uzaklaştırır Hidrofil yan gruplar (SO 3 ) İletken Yüksek sülfonik asit miktarı mekanik özellikleri düşürür
Sulandırılmış (nemli) polimer membran Sülfonatlanmış yan gruplar ve H + iletimi H + bir H 3 O + dan diğerine kanallarla iletilir.
Az sulandırılmış (susuz) polimer memran Sülfonatlanmış yan gruplar ve H + iletimi H + bir nemli H 3 O + kısımdan diğerine difüzyonla iletilir. Artan su miktarı Kanal
Elektro-Osmotik Çekim Diğer Elektrolit Malzemeleri PFSA - (Nafion) - Günümüz elektrolit malzemesi!!! speek spfek spi spsu sps (İlk membran malzemesi, artık kullanılmıyor) speek (sülfonlanmış-polietereterketon)
Elektrot Elektrotlar, membran ve gözenekli karbon arasına sıkıştırılmış ince bir katalizör tabakadır. Katalizör tabakası 5 50 µm kalınlığında ve Pt kristaller içerir. Anotta, hidrojenin yükseltgenmesi Pt katalizörde gerçekleşir. Pt anot ve katot reaksiyonları için uygun katalizördür. Geniş yüzey alanına sahip küçük partiküller kullanılır. Voltaj kayıplarını indirgemek için katalizör ince olmalı. Aynı zamanda aktif yüzey alanı genişletilmelidir.
Gaz Difüzyon Tabakası Gaz difüzyon (dağıtım) tabakası, katalizör ile bipolar plakalar arasında yer alır. Görevleri; gazların katalizöre ulaşmasını sağlar, suyun ve ısının uzaklaştırılmasını sağlar, katalizör ile bipolar plakalar arasında elektriksel bağlantıyı kurmak ve mekanik destek. Bu gereksinimleri karşılayabilen malzemeler karbon fiber bazlı malzemelerdir. Bu katman su geçirmeyen Teflon içerir. Bu katman sayesinde su birikintileri önlenir. Gaz Difüzyon Tabakası
Bipolar Plaka Bir hücrenin anoduyla komsu hücrenin katodu arasındaki elektriksel bağı kurar. Yüksek elektrik ve ısıl iletkenliğe sahip olmalıdır. Komsu hücrelerdeki gazların karışmasını engeller. Plakalar: grafit, metalik, kompozit-grafit ve kompozit grafitmetal. Üretilen suyun pil dışına atar ve mekanik destek sağlar DOĞRUDAN METANOL YP
Metanol ucuz olup benzine yakın enerji yoğunluğuna sahiptir. Anota beslenen metanol, CO 2 ve H + a okside olmaktadır. Oluşan protonlar, oksijen ile reaksiyona girmek üzere polimer elektrolit membran üzerinden geçerek katoda ulaşır. Anotta üretilen elektronlar, katotta proton ve oksijen ile birleşerek su oluşturur. Elektronlar dış devre üzerinden akarak güç üretir.
Bileşenler - MEA(membran elektrot assembli) birimi 1. Membran 2. Katalizör tabakaları 3. Gaz difüzyon tabakaları (GDL) - Bipolar Tabaka Membranlar Proton iletkenligine sahiptirler. Metanol geçisine izin vermezler. Mekanik ve ısıl dayanıma sahiptirler. Membranın proton iletkenliğini saglaması için nemli olmalı. Membranın sülfonik asit grubu içeren floropolimer bir yapısı vardır. Bu yapı protonların göç etmesine imkan tanır. En yaygın membran NAFİON dur.
Katalizör tabakaları : Katalizör tabakası, Pt esaslı olup çesitli çözücüler ve Nafion çözeltisi ile mürekkep haline getirilerek elde edilmektedir. Gaz difüzyon tabakaları Çift kutuplu tabaka ile katalizör arasında bulunan tabakadır. Reaktanların katalizör tabakasına geçişine izin verir. Suyun katalizör tabakasından akış bölgesine geçişini sağlar. Elektronik ve ısı iletkenliği vardır. Gaz difüzyon tabakası üzerine kaplanan mikro gözenekli yapı, anot ve katota sırasıyla hidrofilik ve hidrofobiklik sağlayarak suyun difüzyon tabakasından giriş ve çıkısında elektriksel iletkenlik sağlar. Bu gözenekli tabaka karbon veya grafit parçalarından, bağlayıcı olarak PTFE (teflon) veya Nafion çözeltisinden oluşur.
Elektrot Elektrot, iyonomer membran ile gözenekli yapısı ve elektriksel iletkenliği olan substrat (karbon kağıdı) arasındaki ince tabakadır. Reaksiyon katalizör yüzeyinde gerçekleşir.
Çift Kutuplu (Bipolar) Tabaka Görevleri; Yakıt ve oksitleyicinin hücre içindeki dağılımını sağlamak Suyun kullanımını yönetmek Akımın hücreden tasımını sağlamak Isı dağılımını yönetmek Çift kutuplu plaka, metalden veya elektrik ve ısı iletkenliği olan grafitten yapılmaktadır. Dış kaplamasında değerli metaller (altın, gümüş) kullanılmaktadır. UYGULAMALAR
Uzay/Askeri Çalışmaları Gemini uzay gemisinde, PEM tipi yakıt pili kullanılmıştır.
Evsel Uygulamalar Sessiz çalışan yakıt pilleri, evlerde ısıtma ve elektrik ihtiyacını sağlamak için kullanılabilir. Bu yakıt pilleri, propan ve doğalgazdan üretimi sağlayarak elektrik üretebilir ve oluşan ısı geri kazanılarak ısıtma sistemlerinde kullanılabilir.
Doğrudan Metanol Yakıt Pili
Sabit Güç Üretim Sistemleri Dünyada su anda yüzlerce sabit güç kaynağı olarak kurulmuş yakıt pili istasyonu bulunmaktadır. Bu enerji üreteçleri; hastanelerde, otellerde, havaalanlarında kullanılmaktadır. Minibüs büyüklüğündeki santralde 20 kw güç üretilebilmektedir Taşınabilir Güç Üretimi Telekomünikasyon alanında, bilgisayar dünyasında, alarm sistemlerinde yakıt pili taşınabilir güç kaynağı uygulamaları vardır. Minyatür yakıt pilleri pazara çıktıkları zaman, cep telefonları bir ay şarj edilmeden kullanabilecek. Bu tip yakıt pilleri metanol ile çalışabilen, çok küçük pillerdir.
Elektrikli Taşıtlar - enerjiyi hattan alarak (tren, tramvay, metro), - depolanmış bir sistemden kullanarak (akülü taşıtlar), - taşınabilir sistemden üreterek (yakıt pilli taşıtlar, güneş pilli), - hibrit taşıtlar (benzin-yakıt pili) seklinde uygulamadadır. Yakıt pilli taşıtlar öndedir ve gelecekte hidrojen kullanan yakıt pilli elektrikli taşıtlar çok büyük alan kaplayacaktır. Günümüzde yakıt pili ile çalışan araçlar çevre dostudur. Elektrikli araçlar daha verimlidir. Sessizdir.
Yakıt Pilli (FCV, FCEV) - Elektrikli Taşıt (EV) Yakıt Pilli (FCV, FCEV) - Elektrikli Taşıt (EV)