aytacayva

1. GİRİŞ
Yakıt pilleri, kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elemanlardır. Yakıt pili, fosil yakıtlarının yakılması yerine, yakıt ile oksijenin elektro-kimyasal reaksiyonu sonucunda enerji üreten bir tür bataryadır. Yakıt olarak genellikle hidrojen kullanılmaktadır. Ancak ****n, doğal gaz, etanol, ****nol ve son dönemlerde bezin kullanabilen yakıt pilleri denemelerinden de olumlu sonuç alınmıştır. Oksijenle hidrojenin reaksiyonu su ürettiğinden, bu reaksiyondan kirletici ürün çıkışı söz konusu değildir. Yakıt pili güç sistemlerine karşı ilginin giderek artması, temiz çevre, küresel ısınma, enerji kaynaklarının tükenmeye yüz tutması ve var olan kaynakların politik olarak kararsız bölgelerde bulunması gibi olumsuzluklardan kaynaklanmaktadır. Batarya ile güçlendirilen elektrikli taşıtların gelişmeleri, bu taşıtların kullanım sınırlamalarının anlaşılmasını da kolaylaştırmıştır. Yakıt pilleri, çevresel özellikler bakımından bataryalara eş değerde veya daha iyi karakteristiklere sahiptir ve bataryalı taşıtlarla karşılaşılan kullanma sınırlamalarına sahip değildir (1). Yakıt pillerinin, özellikle temiz ulaşıma çözüm araştırmaları kapsamında, otomotiv enerji kaynağı olarak kullanımı konusundaki çalışmalar giderek yoğunlaşmaktadır. Şekil 1 'de yakıt pili ile güçlendirilen iki test otomobili görülmektedir. Enerji üretimi ve otomotivle ilgili birçok firma, 21. yüzyılın ulaşım ihtiyacını karşılamak üzere, çevre basıncında çalışan, yakıt türüne karşı esnek, tasarımı basit, imalatı ve kullanımı kolay yakıt pili sistemlerinin geliştirilmesi amacıyla çalışmalar yapmakta, bazıları üretim yapabilecek aşamaya geldiklerini ifade etmektedirler (1) (4) (2). Yakıt pillerinin işlevsel anlamda bilinen normal tersinir bataryalardan farkı, bataryalarda iki şarj arasında belirli bir elektrik enerjisi geriye alınmasına karşı, yakıt pillerinde oksitleyici ve yakıtın pilden geçtikleri sürece elektrik enerjisi üretiminin devam etmesidir. Yüksek verimleri sayesinde enerji tasarrufu sağlayan bir güç kaynağı olarak yakıt pilleri, gelecekteki otomotiv kullanımı için ümit vermektedir. Benzin motorlarının iki...üç katı olan % 60 'ın üzerindeki termik verimlerine ek olarak (1) (2), düşük gürültü düzeyi, düşük egzoz emisyonları ve düşük ısı atma talebi bakımından da avantajlıdırlar. Yakıt pillerinin temiz taşıt teknolojisinde devrim yapacağı iddia edilmektedir (3). Reformer ve elektriki dönüştürücülere bağlı olarak toplam sistem verimlerinin % 37 kadar olduğu belirtilmektedir (5).
2. ÇALIŞMA PRENSİBİ
Yakıt pilinin çalışma prensibinin daha kolay anlaşılması için, kimya derslerinde anlatılan suyun elektrolizi deneyi hatırlanmalıdır. Bu deneyde H biçimli bir büretteki suya doğru akım uygulandığında, oransal hacimlerde oksijen ve hidrojene ayrışmaktadır. Elektrik enerjisi uygulandığında su bileşenlerine ayrıştığına göre, mantıksal olarak işlemin ters yönde düzenlenmesi halinde, yani oksijen ve hidrojenin reaksiyonu sonucunda su elde edilirken, elektrik enerjisi alınmalıdır. Bu tür bir reaksiyon ilk defa 1839 yılında W. R. Grove tarafından platin elektrot kullanılarak gerçekleştirilmiştir (6). Bilinen ısı motorlarında hava ve yakıt sisteme girmekte, sistemden yanma ürünleri ve ısı çıkışı olurken iş yapılmaktadır. Bir güç ünitesinin esas amacı, yakıtın enerjisini fiyat, performans ve güvenlik seçeneklerini de dikkate alarak, en verimli yoldan işe dönüştürmektir. Büyük ölçüde tersinmez olan yanma işleminde, yakıtın kimyasal bağ enerjisi yanma ürünlerinin iç enerjisine dönüşmekte ve bu enerji bir ısı makinesinde mekanik işe dönüştürülerek kullanılmaktadır. Bir ısı makinesi ile ulaşılabilecek maksimum verim Carnot çevriminin verimi ile sınırlanmış olmakla birlikte, malzemelerin mekanik ve termik gerilimleri ve tersinmezlikler nedeniyle, maksimum verimler gerçekte % 40 lar düzeyinde kalmaktadır. Kimyasal enerjinin önce ısı sonra mekanik enerjiye dönüştürülmesi yerine, daha yüksek verimle doğrudan doğruya elektrik enerjisine (ki bu da termodinamik açıdan mekanik enerjiye eşdeğerdir) dönüştürüldüğü yakıt pili ise Carnot çeviriminin sınırlamalarından bağımsızdır ve % 60 'ın üzerindeki termik verimlere ulaşılabilmektedir. Yakıt pilleri uygulamada, çalışma sıcaklığı, elektrolit tipi ve yakıt tipine göre sınıflandırılmaktadır (5). Yakıt pilinin çalışma sıcaklığı 150°C 'den düşükse, "düşük sıcaklık yakıt pili", 500...1000°C arasında ise "yüksek sıcaklık yakıt pili" olarak adlandırılmaktadır. Düşük sıcaklık yakıt pillerinin hidrojen gibi basit yakıt ve platin gibi iyi ve pahalı katalist gerektirmelerine karşı, yüksek sıcaklık yakıt pilleri hidrokarbon yakıt ve daha ucuz katalist kullanabilme potansiyeline sahiptir. Kullanılan elektrolit asidik veya sıvı, katı veya sıvı-katı karışımı içerisinde alkalin biçiminde olabilir. Kullanılan yakıtlar genellikle hidrojen, doğal gaz (****n), ****nol ve propandır (7). Şekil 2 'de, Union Carbide firması tarafından geliştirilen, çevre havası ve hidrojen kullanan bir yakıt pilinin şeması görülmektedir. Pilde, elektrolit olarak potasyum hidroksil (KOH) eriyiği kullanılmakta ve pil esas olarak iç içe geçmiş gözenekli iki karbon tüpten oluşmaktadır. İç tüpten hidrojen akışı başladığı anda pilde elektrik üretimi başlamaktadır. Dış tüp ise hava ile temastadır ve bu tüpten geçerken oksijen havadan ayrışmaktadır.
3. BASİT YAKIT PİLİ HESAPLAMALARI
Yakıt pilinden elde edilebilecek maksimum iş;
Wt = - DG (3)
ve pilin ideal verimi;
hi = Wmax/hf° (4)
ile hesaplanabilir (8) . Burada;
DG : sıvı ürünlerin oluşum gibbs fonksiyonu değişimi, kJ/kmol
Wmax : yakıt pilinden elde edilecek maksimum iş, kJ/kmol yakıt,
hf° : sıvı ürünlerin oluşum entalpisi, kJ/kmol dur.
Pilin elektrik potansiyeli e;
e = Wmax / Qe (5)
ve dış devreden geçen elektrik yükü Qe ;
Qe = e NA ne (6)
eşitlikleriyle hesaplanabilir. Burada;
e : elemanter yük (1,6022. 10-19 coulomb/elektron),
NA : avogadro sayısı (6,02217. 1026 elektron/kmol elektron)
ne : elektron mol miktarı, kmol
ve Faraday sayısı;
F = e.NA = 96487 kJ (kmol . volt)
yazılırsa, pilin elektrik potansiyeli (volt olarak);
e = Wmax / 96487.ne ( 7 )
olur. Yukarıdaki eşitlikler kullanıldığında, örneğin bir hidrojen-oksijen yakıt pilinin ideal verimi 0,83, kutuplar arasındaki elektrik potansiyeli 1,23 V bulunmaktadır. Gerçekte elde edilen gerilim değerleri, işlemlerin tersinmezliği nedeniyle bu hesaplamalarla belirlenenden bir miktar küçük olmaktadır.
Yakıt pillerinin verimlerinin artırılması;
a. Gaz yakıt-elektrot-elektrolit temas yüzeylerinin artırılması (ör. gözenekli elektrot kullanımı),
b. Elektrotlarla birlikte veya elektrotlar üzerinde katalistlerin kullanımı,
c. Daha uygun elektrolitin bulunması,
d. Basıncın artırılması,
e. Sıcaklığın artırılması,
f. Uygun yakıtın ya da yakıt değişikliğinin sağlanması,
gibi faktörlere bağımlıdır.
4. UYGULAMALAR
Yakıt pili kullanan ve araştırma amacıyla imal edilen ilk taşıt, yakıt pili ve batarya kullanan hybrid bir taşıttır. Yakıt pili ile batarya birbirine paralel bağlanmıştır. Yakıt pili, kararlı sürüş güç kaynağı ve batarya şarjı için kullanılırken; batarya, ilk hareket ve hızlanma için geçici olarak ilave güç sağlamaktadır. Bataryadan olabilecek ters akım, bir diyotla önlenmektedir. Şekil 4 'te şematik olarak görülen fosforik asit (H3PO4) elektrolitli yakıt pili, günümüzde teknolojik olarak en fazla geliştirilmiş olan yakıt pili olarak tanımlanmıştır (9). Pilin, çevre havasını kullanabildiği ve bazı ilave elemanlarla, ****nol gibi yakıtlardan hidrojen elde ederek kullandığı, yakıt akışının, solenoid uyartımlı üç valf ile yakıt pili akımına bağımlı olarak kontrol edildiği bildirilmiştir. 15 kW gücündeki böyle bir pilin akım voltaj grafiği Şekil 5 'te verilmiştir. Pilin ağırlığının 237 kg, hacminin 0,25 m3 olduğu, atmosferik basınçta ve 177 °C çalışma sıcaklığında, 87 voltta 181 amper verdiği, pilin güç düzeyinin, eleman sayısı veya aktif yüzey alanı ile değiştirilebildiği ifade edilmiştir.

__________________
Kalitesiz olmayın Kalite SİZ olun.

Lütfen teşekkürü çok görmeyelim. Bir katkıda siz yapın.