Renksiz, kokusuz, tatsız bir element Atom Ağırlığı :1.00797g/ mol Yoğunluğu :0.0899g/L Kaynama Noktası:-252.87 O C Kaynama Noktası: 20,13 K Erime Noktası :-259.14 O C Hidrojenin izotopları Protiyum ( 1 H) kararlıdır. Döteryum ( 2 H) kararlıdır. Trityum ( 3 H) kararsızdır.
Hidrojenin herkes tarafından bilinen ve tabiatta çok miktarda bulunan bileşiği sudur. Asal gazlar hariç bütün elementler ile bileşik oluşturur. Hidrojenin atomları alkali metallerle iyonik bileşikler oluşturur.bu bileşiklere hidrür denir ve suda hidrojen vererek ayrışır. Hidrojen F,Cl, Br ve I ile yaptığı bileşiklerin sudaki çözeltileri asittir. Hidrojen iyonlarının bir çözeltideki konsantrasyonu ph cinsinden ifade edilir.
Hidrakarbon bileşiklerinden C 3 H 8(g) + 6H 2 O (s) 3CO 2(g) + 10H 2(g) Kızgın kok kömürü üzerinden sıcak su buharı geçirilerek Aktif metallere asit etki ettirmekle C (k) + H 2 O (g) CO (g) + H 2(g) Fe (k) + 2HCl (suda) FeCl 2(suda) + H 2(g) Suyun ya da suda iyi çözünen asit, baz ve tuz çözeltilerinin elektrolizinden 2HCl (g) + H 2 O (s) H 2(g) + CI 2(g) + H 2 O (s)
Hidrojen yakıtının en önemli kullanım alanı ulaşım sektörü (otomobil, otobüs, uçak, tren Ve diğer taşıtlar) olmaktadır. Hidrojen bir yakıt olarak uzay mekiği ve roketlerde Kullanılmaktadır. Yağların hidrojene edilmesinde. Amonyak elde edilmesinde. Plastik madde yapımında. Hava gemilerini şişirmede. Petrol rafinasyonunda. Metanol İmalatında. Silah sanayisinde. Kaynak işlerinde.
Hidrojen üretimi Depolama ve iletim Enerji çevrimi
Hidrojen üretme teknolojileri 1. Kömür, doğalgaz, benzin gibi fosil yakıtlardan termokimyasal yöntemlerle hidrojen elde edilmesi Buharla reaksiyon yöntemi en çok kullanılan yöntemdir. Burada fosil yakıt bir nikel esaslı katalizör vasıtası ile buharla reaksiyona girer ve hidrojen açığa çıkar. Ayrıca biyokütleden proliz yöntemi ile elde edilen bio-yağ dan da benzer şekilde buharla reaksiyon ile hidrojen elde edilir.
2. Suyun elektrolizi ile hidrojen elde edilmesi: Elektrik enerjisi kullanarak su hidrojen ve oksijene ayrılır. Suyun elektrolizi H 2 O (s) H 2(g) + 1/2O 2(g))
3. Fotoelektro kimyasal yöntemle güneş enerjisinden hidrojen elde etme. 4. Fotobiyolojik yöntemle yeşil yosunlardan doğal fotosentez faaliyetlerinden faydalanarak hidrojen elde etme. 5. Çeşitli hidrit bileşiklerinden kimyasal yöntemlerle hidrojen elde etme. Bunların en önemlisi sodyum borhidrür dür.
Hidrojen, gaz halinde, sıvı halinde veya bir kimyasal bileşik içinde depolanabilir. Daha çok gaz halinde saklanmaktadır. Fakat düşük yoğunluklu olduğundan çok yer kaplar. Bunun için basınçlı tanklarda ve tüplerde sıkıştırılmış olarak saklanır. Tank malzemeleri hafiflik ve güvenlik açılarından geliştirilmektedir. Sıvı hidrojen daha az yer kaplar. Fakat hidrojenin sıvılaştırılması için çok yüksek enerji (sıvılaştırılan hidrojenin enerji değerinin 1/3 ü kadar) gerekir.
Hidrojen İstasyonu
Hidrojen benzin ve doğal gaz gibi yakılabilir. Benzin ve doğal gaza üstünlüğü emisyonlarının azlığıdır. Karbondioksit çıkmaz. Sadece benzin ve doğal gaza göre çok az miktarda NO x çıkar. Askeri ve endüstriyel amaçlar için hidrojen gaz türbinleri ve arabalar için içten yanmalı motorlar geliştirilmektedir.
Yakıt pili elektrolizin tersidir. Hidrojen ve havadaki oksijen birleştirilerek elektrik akımı elde edilir. Özellikle otomobiller olmak üzere bütün uygulamalarda tercih edilen yöntemdir. Hidrojeni yakmaya göre daha verimlidir. Çevreye zararlı hiç emisyonu yoktur. Çeşitli yakıt pili tipleri vardır. Bunlar anod ve katod arasındaki elektrolit malzemeye göre farklılık gösterir.
Yakıt Pili Yanma olmaksızın kullanılan yakıtın ve oksitleyicinin sahip olduğu kimyasal enerjiyi, elektrot-elektrolit sistemi vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştüren bir elektro kimyasal düzenektir. Elektrolizin ters reaksiyonu olarak çalışan yakıt pili, reaksiyon sonrası doğru akım (DC) elektrik üretilir. Piller ve aküler, içerisinde depo edilmiş olan enerjiyi elektrokimyasal bir reaksiyon ile elektrik enerjisine dönüştürürler. Sağladıkları enerji, içerisinde depo edilmiş olan enerji ile sınırlıdır.
Yakıt pillerinin çalışması pil gibidir. Fakat sürekli bir yakıtla beslenmeye ihtiyaçları vardır. Genellikle bu yakıt hidrojendir. Yakıt ve hava sağlandığı sürece, enerji dönüşümü devam eder. Yakıt pili sistemi, temel olarak 4 üniteden oluşmaktadır.
1) Yakıt işleme ünitesi Yakıtın, yakıt piline gönderilmesi öncesinde hazırlandığı, eğer doğrudan hidrojen kullanılmıyorsa, kullanılan yakıttan hidrojenin ayrıştırıldığı ve saflaştırıldığı ünitedir. 2) Güç üretim sistemi Bu bölüm bir veya birden fazla yakıt pili modülünden meydana gelebilmektedir. Sistemde güç üretiminin gerçekleştirildiği ünitedir. 3) Güç dönüşüm ünitesi Bu hücrede üretilen doğru akım ticari kullanım için düzenlenir ya da dönüştürücüler (inverter) yardımı ile alternatif akıma çevrilir.
4) Kontrol sistemi ünitesi Sistemin tüm işleyişi denetlenir ve kontrol edilir. Bu noktada en önemli kontrol; başta nemlendirme, yakıt pili sıcaklık kontrolü, yakıt-hava debi kontrolü, gerilim-akım çıktı kontrolü, atık ısı, atık su kontrolü, soğutucu akışkan kontrolü vb. gibi sıralanabilir. Ayrıca pek çok yakıt pili sisteminde yardımcı elemanlar olarak adlandırılabilecek bazı ekipmanlar da söz konusudur. Bunlar; fan, kompresör, nem ünitesi, ısı değiştiriciler vb. olarak sayılabilir.
Yakıt pilinden elde edilen gerilimin düzenlenmesi için regülatör, doğru akımın (DC) alternatif akıma (AC) dönüşümü için ise dönüştürücü (inverter) kullanılabilmektedir. Yakıt pilleri çalışma sıcaklık aralığına göre düşük ve yüksek sıcaklık yakıt pilleri olarak kategorize edilebilirlerse de, (bazı kaynaklarda orta sıcaklık da sınıflandırmaya dâhil edilmektedir) asıl farklılık kullanılan elektrolit malzemesinden kaynaklanmaktadır.
Geleneksel enerji üretim sistemlerinde elektrik enerjisi üç aşamada elde edilir. Birinci aşamada yakıtın yanması sonucunda ısı enerjisi elde edilmektedir. İkinci aşamada üretilen ısı mekanik enerjiye dönüştürülmektedir. Üçüncü aşamada ise mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülmektedir.
Tüm bu dönüşüm kademeleri enerji kaybına neden olmaktadır. Özellikle ikinci aşamanın verimi oldukça düşüktür. En gelişmiş modern sistemlerde dahi % 40 lık bir verim söz konusu olabilmektedir. Enerji stoklarımızı ve çevremizi korumak, yaşam kalitesini düzeltmek ve çevre kirlenmesini azaltmak için yeterince temiz ve uygulanabilir teknolojiler gereklidir. Bu teknolojilerden biriside yakıt pili teknolojisidir.
Yakıt pilleri konvansiyonel sistemlerden farklı olarak enerji dönüşüm aşamalarına gerek duymadan, yakıttaki kimyasal enerjiyi %80 lere varan yüksek verimle elektrik enerjisine dönüştürebilme özelliğine sahiptirler. Mekanik aksam içermemeleri sebebiyle oldukça gürültüsüz çalışmaları ve gürültü kirliliğine neden olmamalarıdır. Ayrıca aşınma ve yıpranma gibi sorunları ortadan kaldırmaktadır. Bu dönüşüm sırasında çevre kirliliğine neden olmaz ya da çok az miktarda kirletici atmosfere salıverirler.
Yakıt olarak hidrojenin kullanıldığı durumlarda atık yalnızca su iken yakıt olarak fosil yakıt kullanılması durumda dahi açığa çıkan çevreye zararlı gazlar geleneksel yöntemlere oranla oldukça azdır. Yakıt pilleri başta partikül madde olmak üzere kükürt dioksiti ve azot dioksiti sıfıra indirirken, CO 2 emisyonunu da oldukça azaltırlar. Oldukça basit bir yapıya sahip, dayanıklı sistemlerdir. Kolaylıkla pek çok alanda kullanılabilirler. Teorik olarak yakıt beslendiği sürece, bakım gerektirmeden sürekli elektrik üretebilme kapasitesine sahiptirler.
Farklı yakıtlarla çalışabilir. (Borhidrür, Metanol, Etanol) Modüler yapıdadır. Montaj süresi kısadır. Çok yüksek miktarda soğutma suyu (deniz suyu gibi) gerektirmez. Güvenilir bir sistemdir. İşletim özellikleri uygulamada kolaylıklar sağlamaktadır. Geleceğe yönelik olarak gelişme potansiyeli oldukça yüksektir. Katı atık ve gürültü problemi
Dezavantajları Yüksek maliyet Büyük hacim ya da ağırlıkta yakıt depolama gereksinimi (Özellikle mobil uygulamalarda önem taşır) Direkt hidrojen kullanımı halinde yüksek yakıt fiyatı Kullanım ömürlerinin tam olarak bilinememesi olarak özetlenebilir.
YAKIT PİLİ ÇEŞİTLERİ 1. Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pilleri (PEMFC) 2. Doğrudan Metanollü Yakıt Pilleri (DMFC) 3. Alkali Yakıt Pilleri (AFC) 4. Fosforik Asit Yakıt Pilleri (PAFC) 5. Erimiş Karbonat Yakıt Pilleri (MCFC) 6. Katı Oksit Yakıt Pilleri (SOFC)
Yakıt Pili Çeşitleri Yakıt Pili Elektrolit Çalışma Sıcaklığı ( C) Alkali (AFC) PEM (PEMFC) Direkt Metanol (DMFC) Fosforik Asit (PAFC) Erimiş Karbonat (MCFC) Katı Oksit (SOFC) Potasyum, Hidroksit çözeltisi Proton iletken elektrolit membran Polimer iletken membran Elektriksel Verim (%) Yakıt/Oksitleyici 25 250 60 70 H 2 /O 2 25 80 40 60 H 2 /O 2, hava 25 130 20 30 CH 3 OH/O 2, hava Sıvı fosforik asit 160 220 55 Doğalgaz, biyogaz, H 2 /O 2, hava Alkali karbonatlar Erimiş alkali metal karışımı 620 660 65 Doğalgaz, biyogaz, Kömür gazı, H 2 /O 2, hava 800 1000 60 65 Doğalgaz, biyogaz, Kömür gazı, H 2 /O 2, hava
YAKIT PİLİ ÇEŞİTLERİ
Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pilleri (PEMFC) Yakıt pili, elektrolit ve elektrolitin yüzeyleri ile temas halinde bulunan geçirgen-gözenekli (poroz) yapıya sahip anot ve katot elektrotlarından oluşur.
Yakıt pilinin anot kutbuna ya da elektrotuna H 2, katot kutbu ya da elektrotuna ise oksitleyici gönderilir. Bu yakıt ve havanın elektrokimyasal reaksiyonu sonucunda anot ve katot arasında potansiyel fark meydana gelir. Reaksiyon sonrası ısı ve saf su açığa çıkar.
Yakıt pillerinde her bir «anot-elektrolit-katot» grubuna Membran Elektrot Grubu (MEA) denilir. Ya da bunların her birisi Yakıt Hücresi olarak adlandırılmaktadır. Bir yakıt hücresinde oluşan gerilim genellikle 1 Volt un altındadır. Temel olarak anot, katot ve elektrolitten oluşan yakıt pillerinde yakıt ve hava akışını yönlendiren, hücreler arası bağlantıyı sağlayan kısımlar söz konusudur.
Hücreler arası bağlantı elektrotlarla temas halinde bulunan Akım Toplayıcı Plakalar (bipolar plaka) ile sağlanır. Bu plakaların üretiminde genellikle iyi bir ısıl ve elektriksel iletken, mekanik olarak katı (rijit) ve kimyasal olarak kararlı olmalarından dolayı grafit malzeme kullanılmaktadır. Plakalarda üzerinde gaz dağıtım kanalları yer alır. Bu dağıtım kanalları farklı akış biçimi ve geometride olabilmektedir.
Yakıt pilinde çok sayıda hücrenin bir araya getirilmesiyle yakıt pili yığını-fuel cell stack denilen yapılar oluşturulmaktadır. Yakıt pili yığınları ile istenilen oranda voltaj yükseltilebilir. Bir yakıt pili yığını ve elemanlarının detaylı görünümü
YAKIT PİLİ ELEMANLARI 1. Polimer Elektrolit Membran 2. Gaz Difüzyon Katmanı 3. Katalizör 4. Elektrotlar 5. Bipolar Tabakalar
1. Polimer Elektrolit Membran Membran, PEM yakıt pilinde proton iletimine izin veren ve elektron iletimini engelleyerek elektronların dış çevrim vasıtasıyla iletilmesini sağlar. Bu sebeple membran proton iletimine karşı iyi iletken, elektron iletimine karşı yalıtkandır. Aynı zamanda reaksiyona giren iki gazı (hidrojen ve hava) birbirinden ayırır. Membran, bir polimer kalıp içerisinde negatif iyonların tutulduğu asidik bir elektrolit olarak düşünülebilir.
Membran, anot ve katotta kimyasal reaksiyonlar için katalizörlerle irtibatlıdır.
Anot Reaksiyonu : 2H 2 4H + + 4e Katot Reaksiyonu : 4H + + 4e + O 2 2H 2 O Toplam Reaksiyon : 2H 2 + O 2 2H 2 O + Elektrik enerjisi Reaksiyon oluşum hızını arttırmak için katalizörler kullanılır. Genellikle bu katalizörler her bir elektrotla temas halindedir.
2. Gaz Difüzyon Katmanı (Gas Diffusion Layer) GDL Bir yakıt pilinde polimer membran-katalizör ile bunlarla iki taraftan temas halinde bulunan gözenekli gaz difüzyon katmanları sandviç görünümünde bir yapı oluşturur. Gaz difüzyon katmanlarının görevleri, tepkimeye girecek gazların, suyun iletiminin sağlanması ve elektrotlar-akış alanı plakaları arasında elektronik ve ısıl temasın sağlanmasından oluşmaktadır.
Bir gaz difüzyon katmanından istenilen özellikler ise, yüksek elektrik ve ısıl iletkenlik, yüksek gözeneklilik, iyi kimyasal, mekanik uyum ve düşük maliyettir. Gaz difüzyon katmanında materyal olarak karbon esaslı kâğıtlar, keçeler ve kumaşlar kullanılabilir.
3. Katalizör Katalizör, yakıt pilinin performansını ve verimini doğrudan etkilemektedir. Genel olarak katalizörlerin uzun ömürlü, yüksek verimli ve hücre başına en az miktarda kullanılabilir olması istenmektedir. Yakıt hücrelerinde iki katalizör tabakası mevcuttur ve bu tabakalar membran-elektrot sistemi (MEA) için kritik bir rol oynar. Bu tabakaların yokluğunda MEA fonksiyon gösteremez. Katalizörler direnci minimuma indirmek için iyi bir elektriksel iletkenliğe sahip olmaları yanında, ekonomik ve büyük miktarlarda kolay üretilebilir olmaları da gerekir.
Elektrotlara preslenmiş olarak 5-50 μm kalınlığında ve genellikle platinyum malzemesinden hazırlanan katalizörler en çok kullanılan katalizördür. Platinyumun pahalı oluşu, platinyum kullanım yoğunluğunu azaltmaya dönük çalışmaları arttırmaktadır. PEM yakıt pilinde kullanılan katalizör CO, CO 2 ve hidrokarbondan olumsuz etkilenmektedir. Bu da yakıt piline gönderilen gazların saflığının arttırılması gerekliliğini, bu ise saflaştırma maliyetlerini ortaya çıkarır.
4. Elektrotlar Gaz difüzyon katmanı, katalizör katmanı ve bağlayıcı ile beraber elektrotları oluştururlar. Elektrokimyasal reaksiyonlar anot ve katottaki katalizör yüzeyleri üzerinde gerçekleşir. Katalizör ve bağlayıcı yapısı membrana veya difüzyon katmanına tutturulabilir. Her iki durumda da membran ve katalizör partiküllerinin temas derecesi uygun proton hareketi için önemlidir. PEM yakıt pilleri düşük sıcaklıklarda çalıştığı için yeterli reaksiyon derecesine ulaşmak ve aktivasyon kayıplarını azaltmak için elektrotlar değerli materyaller içerir.
5. Bipolar Plaka Birçok PEM yakıt pili uygulamasında akım toplama, dağıtımı ve ısıl yönetim amacı ile karbon/grafit plakalar kullanılmaktadır. Kalınlığı ~350 μm seviyesindedir. Çoğu zaman yakıt pili soğutması için gerekli olan soğutucu yüzeyler bipolar plaka ile entegre durumdadır. Soğutucu akışkan olarak kullanılan hava ya da su bu yüzeylerden geçirilerek soğutma gerçekleştirilir. Yakıt pili verimliliği için bipolar plakaların temas direncinin minimum, elektriksel iletkenliğinin ise maksimum olması istenir.
Grafit Bipolar Plakalar Metalik Bipolar Plakalar
PEM yakıt hücreleri, kompakt yapılarından dolayı taşıtlar ve cep telefonlarına kadar diğer mobil uygulamalar için başlıca aday olarak görülmektedir. Fakat su yönetimi performans açısından hayati önem arz etmektedir: çok fazla su membranı ıslatırken çok azı kurutmaktadır, her iki durumda da güç çıkışı düşmektedir. PEM sistemlerinde su yönetimi çok zordur. Su yönetimi için elektro-ozmotik pompaların entegrasyonu gibi değişik çözümler mevcuttur. Membran üzerindeki platin katalizör CO ile kolayca zehirlenmektedir ve membran, metalik bipolar levhaların korozyonundan kaynaklanan metal iyonları gibi maddelere karşı hassastır.