DEPARTMENT OF CHEMISTRY, ISTANBUL TECHNICAL UNIVERSITY FACULTY SCIENCE AND LETTERS MASLAK 80626-ISTANBUL/TURKEY Tel:+90 212 285 3159; Fax: +90 212 285 6386; e-mail:kadirgan@itu.edu.tr YAKIT HÜCRELERĠ TEKNOLOJĠLERĠNDE SON GELĠġMELER
Başlıklar: GiriĢ BaĢlıca teknolojiler Bu teknolojilerdeki geliģmeler ĠTÜ deki çalıģmalar
Neden hidrojen??? CO 2 emisyonunda artıģ Doğal konsantrasyon: 280 ppm Ölçülen konsantrasyon : 370 ppm %30 artıģ NEDENĠ Fosil yakıtların kullanımı Sonuç: SERA ETKĠSĠ VE ĠKLĠM DEĞĠġĠKLĠĞĠ Bilimsel verilere göre iklim değiģikliğini azaltmak için CO 2 konsantrasyonu kesinlikle 550 ppm in altında olmalıdır. Bu değerin anlamı, artan nüfus ve enerji talebi göz önüne alınarak yapılan hesaplarda 2050 yılında emisyonun %50 azaltılmasıdır. Aksi halde CO 2 konsantrasyonu 2100 de 700 ppm e ulaģıcaktır. Bu perspektiften hareket ederek 1997 den beri sera gazlarının azaltılması amacı ile uluslararası planda Kyoto Protokolü tartıģmaya açılmıģtır.
Ayrıca insanların yasam kalitesi hava kirliliği-sağlık iliģkileri, AB de inģaatların enerji verimliliği açısından ele alınarak kuralların getirilmesi hidrojen ve aykıt hücreleri kullanımını önemli hale getirmektedir. AB enerji pazarlarının liberalizasyonu ve Ģirketler arasındaki rekabet ekonomiyi etkilemektedir. Endüstride enerji üretiminde ve kullanımında verimin dikkate alınması yeni sektörlerin, ürünlerin ve proseslerin doğmasına neden olacak yeni iģ alanları açacak, iģsizliğe çözüm olacaktır. Sürdürülebilir enerji temininde ve dağıtımında yeni kaynaklar ve üretim yöntemlerinin artması ülkelerin ve endüstrinin politik stabilitesini pekiģtirecektir.
SERA GAZLARININ ETKİSİNİ AZALTACAK ÖNLEMLER: Fosil yakıtların tüketiminin azaltılması, kullanımı durumunda yüksek verimin dikkate alınması Karbon sayısı küçük veya hiç karbon içermeyen yakıtların kullanımı Fosil yakıtlardan üretilen CO 2 in bir Ģekilde tutulması (absorpsiyon)
Kısa vadeli çözüm: Verimin yükseltilmesi Sivil uygulamalarda ko-jenerasyon, arabalarda enjeksiyon sistemlerinin kullanımı, yanma reaksiyonunun elektronik kontrolü, alternatif temiz yakıtların kullanımı, hibrid elektrik sitemleri vs...
Diğer bir çözüm: Hidrojen kullanımı Hidrojenin emisyonu sudur. Fosil yakıtlardan yenilenebilir enerji kanalı ile ve nükleerden elde edilebilir. Hidrojenin üretimi, taģınması, depolanması ve kullanımı konusunda çeģitli teknolojiler geliģtirilmektedir.
Hidrojen yakıt hücrelerinde yüksek verimle yakılarak enerji elde edilebilir.
Yakıt Hücresi nasıl çalışır: Yakıt hücresi tek hücrelerin sandviç haline getirilmesi ile oluşur. Tek hücre ise iki ince elektrot ( anot ve katot ) ile elektrolitten oluşur. Farklı yakıt hücreleri olmakla birlikte çalışma prensipleri birbirine benzer.
Anot hidrojen veya hidrojen ile zengin bir yakıt tarafından beslenir, anota gelen hidrojen katalizör etkisiyle proton (+ yüklü iyon) ve (-) yüklü elektronlarına ayrışır. Katotta ise oksijen molekülleri elektron ve protonlarla suya dönüşür. Elektronlar anottan katota dıştaki elektrik devresinden geçerken protonlar membran veya elektrolit kanalıyla anottan katota geçer.
Bir yakıt hücresinin ürettiği güç aşağıdaki faktörlere bağlıdır: Yakıt hücresinin tipi, tek hücre sayısı, çalışma sıcaklığı, hücreye gönderilen gazların basınçları,... Küçük uygulamalar için tek bir hücre kullanılabileceği gibi değişik uygulamalar için değişik hücre yığınları seri olarak bağlanarak kullanılabilir. Bir yığın 100 ya da daha fazla tek hücreden oluşabilir.
Yakıt Hücresi Sistemleri Bir yakıt işlemcisi Enerji dönüşüm aygıtı (Yakıt hücresi veya yakıt hücresi yığını) Akım dönüştürücü Isı işlemcisi
Yakıt hücreleri ile ilgili teknolojik gelişmeler şu başlıklar altında değerlendirilebilir: Güç yoğunluğunu, gazlardaki safsızlıklara karşı direncini ve ömrünü arttırmak ve optimize etmek amacıyla elektrot malzemelerinin iyileştirilmesi Tek hücrelerin yığınlaştırılarak 250 kw a kadar elektrik üretecek tek modülde toplanması Katalizör olarak kullanılan değerli metallerin miktarının azaltılarak etkilerinin arttırılması, böylece maliyetin düşürülmesi Sistemin performansını, sağlamlığını, ömrünü ve maliyetini optimize edecek bir dizaynın geliştirilmesi Hidrojen depolama malzemelerinin geliştirilmesi Hem sabit hem taşınabilir uygulamalarda yerinde başka yakıtlardan hidrojen elde edebilecek yapıların geliştirilmesi
Yakıt hücrelerini elde edilen güce ve uygulama alanlarına göre şöyle sınıflandırılabiliriz: DüĢük güçlü 1-5 kw Mikro-uygulama veya konut 5-10 kw Konut site Orta güç 10-100 kw Site 50-300 kw Ticari Büyük güç 250 kw 10 MW Güç santralleri
Çalışma sıcaklıkları ve kullanılan elektrolit cinsine göre de şöyle sınıflandırabiliriz: Elektrolit ÇalıĢma Sıcaklığı ( o C) Alkali yakıt hücreleri KOH 50 90 Proton değiģtiren Polimer 50-125 Membran (PEM) Doğrudan methanol Sülfürik asit Kullanan Yakıt Hüc. veya polimer 50 120 (DMFC) Fosforik asit (PAFC) orto fosforik asit 190 210 ErimiĢ karbonat Li / K karbonat (MCFC) KarıĢımı 630 650 Katı oksit (SOFC) Stabilize zirkonyum 900 1000
DüĢük güçlü PEMFC ve SOFC Orta güçlü AFC, PEM, SOFC, PAFC, MCFC Büyük güçlü PACF, MCFC, SOFC
PEM yakıt hücrelerinin çalışma prensibi
Nafion membran
Karbon Kagıt
Karbon tekstil
Karbon üzerine dagıtılmış platin ve Membran-elektrot beraberliği
Bipolar tabakalar
Proton değiştiren membrana sahip yakıt hücreleri: Mobil uygulamalar için en pratik sistem ġu anda ticari olarak satılan proton değiģtiren membran Nafion dur. Nafion (sulphonated poly tetra fluoro ethylene teflon) pahalı bir malzemedir. (~1200$/m 2 ). Daimler Chrysler/Ballard/Ford konsorsiyumu (XCELLSIS) Kanada, Amerika ve Avrupa da 2005 ten itibaren PEM ile çalıģan otobüsleri ticari olarak piyasaya süreceklerdir. Bu otobüsler için yakıt olarak saf hidrojen gazı tercih edilmekle birlikte kısa ve orta vadede bu tartıģmalıdır. Çünkü araçlarda hidrojen depolanması yüksek basınçlı, hafif silindirler, kriyojenik sıvı sistemleri ve katı metal hidrit depolamayı gerektirmektedir. Basınçlı hidrojen otobüsler için en iyi sistem olmakla birlikte bu sistem hafif araçlarda bulunması gereken hacim ve ağırlık kriterlerini karģılamamaktadır. Karbon nano-tüplerde hidrojen depolama umut verici
Likit yakıt ile besleme önerilen bir çözüm Ford Motor Focus FC5 General Motors Opel Zafira Honda Motor FCX-V2 Daimler Chrysler in NECAR 3 prototipi Mazda Motor Premacy FC-EV Nissan Motor R nessa ve Xterra Toyota RAV4 Volkswagen Capri modelleri metanol ile beslenmektedir.
Doğal gaz ile de besleme yapılabilir. Enerji santralleri için 250 kw a kadar bir uygulama Ballard tarafından yapılmıģtır. Bu doğal gaz ile beslenmektedir. Bu sistemler için çok pratik olmamasının nedeni Nafionun proton iletkenliğinin 125 o C nin üzerinde iyi olmamasından kaynaklanmaktadır. 200 o C de proton iletebilecek polimer membranlar üzerinde çalıģmalar umut vericidir. Bu polimerler poli stiren sulfonik asit, poli benz imidazol, poli eter-eter keton, polifenoksi benzoil fenilen, vs... dir.
Yakıt hücrelerinde geliştirilmekte olan konular şöyledir: Hücrelerin yığın haline getirilme Ģekli (3 tip vardır: tüpsel, düzlemsel ve monolitik ) 1000 o C deki çalıģmalar için bipolar katalizör ve ara bağlantı malzemeleri Yüksek sıcaklıkta çalıģabilecek elektrot malzemeleri ve elektrolitlerin geliģtirilmesi
İTÜ DEKİ ÇALIŞMALARIMIZ DOĞRUDAN METANOL YAKAN PEM METANOL / HAVA YAKIT HÜCRELERĠ
Anot : CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6 H + + 6 e - Katot : 6H + + 3/2 O 2 + 6 e - 3 H 2 O CH 3 OH + 3/2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O Metanol oksidasyonu için katalizör geliştirme Oksijen redüksiyonu için katalizör geliştirme Membran çalışmaları, Nafion Membrandan metanol geçişinin ölçümü Nafion membranın modifikasyonu ile elde edilen sonuçlar
Neden Metanol? Hava kirliliğini önemli ölçüde azaltır Petrole bağımlılık azalır, çünkü metanol kömürden, odundan veya biokütleden elde edilebilir. Taşınması kolay tehlikesiz bir yakıttır (hidrojen ile kıyaslanırsa) Yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir
Neden PEM Teknolojisi? Taşınabilir enerji kaynaklarına kolay uygulanabilirlik
Diğer çalışmalar %1 oranına kadar CO içeren hidrojen gazları için katalizör geliştirilmesi Yeni proton iletken membranlar üzerine çalışmalar Yakıt hücrelerinin diğer komponentleri (bipolar tabakalar, geçigenliği düşük tabakalar,...) üzerine çalışmalar