Mehmet Emre BAŞ
Bitirme Tezi, 2005
Uludağ Üniv. Makine Müh. Böl., Bursa

1. GİRİŞ:

İnsanlığın ateşi bulup kullanmaya başladığı günden beri en büyük problemlerinden biri enerji sorunu olmuştur. Ateşin kullanılmasıyla beraber odun, kömür gibi katı yakıtlar enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Daha sonraları ise bunlara petrol ve bir enerji türü olan elektrik eklenmiştir.

Son tüketiciye enerji "yakıt" ve/veya "elektrik". İkincil enerji olan elektriğin çeşitli kullanım avantajlarının bulunmasına karşın, teknoloji yalnızca elektriğe bağlı olarak değil, yakıtı da gerektiren biçimde gelişmiştir. Bunun nedeni, genel enerji tüketiminin %60'ının ısı biçiminde gerçekleşmesidir. Birincil enerji kaynaklarının, fiziksel durum değişimi içeren biçimde dönüştürülmesi ile elde edilen ikincil enerjilere, "enerji taşıyıcı" denir. Elektrik 20. yüzyıla damgasını vuran bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojen ise 21. yüzyıla damgasını vuracak bir diğer enerji taşıyıcısıdır.

Endüstri devrimi ile 1750 yılından bu yana, teknik yeniliklere dayalı olarak dünya genelinde ekonominin gelişmesi, peş peşe beş ayrı dalgalanma biçiminde sürmüştür. 1750-1825 yılları arasındaki birinci dalgalanmanın başat enerji kaynağı kömürüdür. 1825-1860 arasındaki ikincil dalgalanmada, ekonomiye ivme kazandıran elektrik olmuştur. 1860-1910 yılları arasındaki üçüncü dalgalanmada elektrik etkisini sürdürmüş, ama yeni kaynak olarak petrol ortaya çıkmıştır. 1910-1970 arasındaki dördüncü dalgalanmada ekonomiyi büyüten yeni enerji kaynağı nükleer enerjidir.

Şimdi 1970'lerde başlayan, 21. yüzyılın neresinde biteceği henüz bilinmeyen yeni bir dalgalanma içindeyiz. Bu yeni dalgalanmayı etkileyen enerji türü hidrojendir. Hidrojen, kullanım verimi yüksek bir yakıttır. Çevre dostudur. Teknolojik gelişim, çevre etkisini de içeren efektif maliyetinin diğer yakıtlardan düşük olmasını sağlar duruma gelmiştir.

Hidrojenin kullanılmasını gerektiren başlıca iki neden olup, biri fosil yakıtların yanma emisyonu karbon dioksitin artmasından kaynaklanan, global ısınmaya neden olan çevre sorunu, diğeri petrol ve doğalgaz gibi akışkan hidrokarbonların bilinen üretilebilir rezerv ömürlerinin insan ömrü ile kıyaslanabilecek boyuta düşmüş olmasıdır.
Bu noktada yakıt pillerinin ne denli önemli olduğu ortaya çıkmaktadır. Çünkü dünyanın giderek daha fazla kirlendiği bilinmektedir ve bunun sonucunda da çeşitli sorunlarla karşı karşıya kalınmaktadır. Eğer dünya üzerinde fosil yakıt tüketimi bu hızla devam edecek olursa çok yakın bir zamanda dünya aşırı ısınma tehlikesi ile karşı karşıya kalacaktır. Bu yüzden fosil yakıt tüketiminin azaltılması ve daha düşük emisyon değerlerine ulaşılması gerekmektedir. Buda ancak yakıt pillerinin daha yaygın olarak kullanılmasıyla gerçekleşecektir.

2. YAKIT PİLLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ:

Yakıt pilleri, verimli, ekonomik, sessiz ve çevre ile uyumlu enerji üretiminde kullanılan, gelecek kuşaklarda çok daha yaygın olarak kullanılacağı tahmin edilen önemli yaklaşımlardan biridir. Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji, düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektro kimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür.

Yakıt pilleri teknolojisinin bulunuşunun 1839 yılında Sir William Robert Grove tarafında olduğu kabul edilmektedir. Onun geliştirdiği yakıt hücresi sistemi, elektrolit olarak seyreltik sülfürik asit, oksitleyici etken olarak oksijen ve yakıt olarak da hidrojen kullanmaktaydı. Yakıt pilleri yakın zamana kadar sadece laboratuarlarda ve uzay yolculuğu gibi belli alanlarda kullanılmaktaydı. Fakat uzay gemilerinde kullanılmaya başlaması ile birlikte 1960'tan itibaren çok hızlı olarak gelişmeye başlamış ve fosil yakıtların kirleticiliğine çözüm olarak son yıllarda kara taşıt araçlarında içten yanmalı motorlar yerine enerji sağlayıcı olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Özellikle sanayinin ve araştırmaların başladığı yıllar olan 1900'lere doğru geldiğimizde fosil yakıtların kimyasal enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine çevirme isteği ve kömürün oksidasyonu ile ilgili yapılmış pek çok araştırma ile karşılaşmaktayız. Hatta bunlar arasında 1960'larda uzay araçlarında kullanılan H2 - O2 uzay güç hücrelerine benzeyen çok benzeyen hidrojen yakıt hücrelerine rastlanmaktadır. Bu çalışmaların başarıya ulaşamamasının genel sebebi malzemelerden dolayı oluşan problemlerdir.

1920'lerden sonra ise gaz-difüzyon elektrotunun düşük sıcaklıkta gerçekleşen işlemler için önemli bir anahtar olduğu fark edilmiştir. A. Schmid, platin katalizörlü,gözenekli karbon-hidrojen elektrotları silindirik şekilde yapan ilk araştırmacı olmuştur. Bunun sonucunda benzer şekilde dizayn edilmiş havalı elektrotlara göre daha pratik yakıt pilleri yapılabilmiştir.

Bütün bu gelişmelere rağmen, meydana gelen İkinci Dünya Savaşı direkt enerji çevrimi konusunda yürütülmekte olan araştırmaların çoğunun durdurulmasına yol açmıştır. Bu araştırmaların durdurulması sonucu, zaten gelişmiş olan ve güç ihtiyacını karşılamaya hazır olan içten yanmalı motorlar ulaşım sektörünün lideri olmuş, havada jet motorları ve güç ünitelerinde de gaz türbinleri bu yolu izleyerek ön plana çıkmışlardır.

Bu gelişmeler birlikte Birleşik Krallıkta F. T. Bacon, gözenekli metal elektrotlu alkali yakıt hücresi sistemleri üzerinde çalışmış ve savaştan sonra bu çalışmaları yayınlamıştır. F. T. Bacon'un geliştirdiği yakıt hücresi sistemi, 1968'de insanların Ay'a uçmasını sağlayan NASA yakıt pilleri sistemlerinin ilk prototipi olma özelliği kazanmıştır. Yakıt pilleri alanındaki araştırmalar tekrar popüler olmuştur. Yapılan araştırmalar sonucunda düşük katalizör yüklemeli gözenekli karbon kullanımının hidrojen-hava yakıt pillerinde düşük maliyetli bir çözüm olduğu kanıtlanmıştır, bu da yakıt hücreleriyle çalışan elektrikli otomobillere olan ilgiyi çok fazla arttırmış ve birçok prototipin üretilmesini sağlamıştır. 1970'te K. Kordesch, hidrojen yakıt pilleri ile çalışan 4 kişilik bir otomobil üretmiştir. Bu aracı üç yıl boyunca şehir trafiğinde kullanmayı başarmıştır.

1970'lerin ortasında şaşırtıcı bir değişim olmuş, o ana kadar uzay araştırmalarında en üst gelişmişlik düzeyine ulaşan alkali yakıt hücresi sistemleri yerlerini sabit güç ünitelerine daha uygun olduğu düşünülen fosforik asit yakıt hücresi sistemlerine bırakmışlardır. Bu gelişmelere paralel olarak hidrokarbonların tercih edilen yakıt kaynakları olarak yeniden yapılandırılması ve geliştirilmesi gerekmiştir. Bu büyük ölçekli güç ünitesi üretimine olan ilgi ABD'de ilginin biraz düştüğü dönemlerde özellikle Japonya'da fark edilebilmektedir.

Yüksek sıcaklıklı ünitelerin genelde çok iyi verimleri olmasından dolayı 1980'lerde erimiş karbonatlı yakıt pilleri sistemlerinin ve 1990'larda da katı oksit yakıt pilleri sistemlerinin geliştirilmesine ağırlık verilmiştir. Ama ne yazık ki yüksek sıcaklıklı yakıt pilleri sistemlerinin ömürleri ile ilgili sorunlar giderilememiştir.

Teknolojideki belki de en önemli gelişme 1990'larda gerçekleşmiştir. Membranlı yakıt pilleri sistemleri gelişimdeki en önemli nokta olmuştur. Aslında membranlı yakıt pilleri sistemleri 1960'larda da biliniyordu, fakat uzay çalışmalarında alkali sistemler kadar başarılı olmadıkları için önemleri bu süre zarfında alkali sistemlerin gerisinde kalmıştır. Yeni membran çeşitleri ve katalizör araştırmaları sonucu yüksek güç yoğunluklarına ulaşabilmiştir. Geriye bir tek sorun kalmıştır, o da membranlar ile soğutma ve atık su dolaşım sistemlerinin yüksek maliyeti sorununun çözümlenmesidir.

Günümüzde de büyük maliyetler gerektiren teknolojik buluşlar gizli bir şekilde yürütülmekte, daha ekonomik, daha ucuz ve daha az yer kaplayan yakıt pilleri araştırmalarına devam edilmektedir. Önümüzdeki yirmi yıllık zaman dilimi içinde birçok alanda yakıt pillerini görmek mümkün olacaktır.

3. YAKIT PİLİNİN ÖNEMİ:

Yeni bir bin yıla girerken yakıt pilinin dünya çapında araçların kullanımında inanılmaz şekilde artacağı ve enerji için dünya çapında rağbet göreceği tahmin ediliyor. Enerji stoklarımızı korumak, çevremizi korumak ve yaşam kalitesini düzeltmek için dünyanın enerji ihtiyaçları için teknolojiden yeterince yararlanmak gereklidir. Arabalar, evler ve enerji santralleri için yeterli çok yönlü bir teknolojiye ihtiyaç vardır. Çevremize verilen zararları tersine döndürmeye yardım edebilecek yeterince temiz bir teknoloji gereklidir. O teknoloji yakıt pilleridir.
Yakıt hücreleri, konvansiyonel güç üretim sistemlerine göre aşağıdaki üstünlüklere sahiptir.

• Çevresel kirlilik oranı düşüktür.
• Enerji üretim verimi oldukça yüksektir.
• Farklı yakıtlarla çalışabilir. (Doğal gaz, LPG, Metanol ve Nafta)
• Egzoz ısısı yeniden kazanılabilir.
• Modüler yapıdadır.
• Montaj süresi kısadır.
• Çok yüksek miktarda soğutma suyu (deniz suyu gibi) gerektirmez.
• Güvenilir bir sistemdir.
• İşletim karakteristiği uygulamada kolaylıklar sağlar.
• Geleceğe yönelik olarak gelişme potansiyeli oldukça yüksektir.
• Katı atık ve gürültü problemi yoktur.

4. YAKIT PİLLERİ VE TÜRLERİ:

4.1 YAKIT PİLLERİ:

Bir yakıt pili, bir elektrolit ve bu elektroliti sandviç şeklinde saran iki elektrottan oluşmaktadır. Oksijen bir elektrottan, hidrojen de diğer elektrottan geçerek elektrik, su ve ısı üretir.
Prensip olarak, yakıt pilleri bir pil gibi çalışır. Pilden farklı olarak, yakıt pilleri bitmez yada şarj edilmesine gerek yoktur. Yakıtla beslendiği sürece elektrik ve ısı formunda enerji üretir.
Hidrojen, yakıt pillerinin anoduna beslenir. Oksijen (veya hava) yakıt pillerine katottan girer. Bir katalizör yardımıyla, hidrojen atomu, katoda farklı yollar izleyerek gidecek olan bir proton ve bir elektrona ayrılır. Proton elektrolit içerisinden geçer. Elektronlar, katoda dönüp hidrojen ve oksijen ile birleşerek su molekülü oluşturmadan önce bir elektrik akımı oluştururlar.

Şekil 3.1'de bir yakıt pillinin çalışma şekli görülmektedir.
"Yakıt dönüştürücü" içeren bir yakıt pili sistemi hidrojeni herhangi bir hidrokarbondan-doğalgazdan, metanolden ve hatta benzinden elde edebilir.

Şekil 3.1 Bir yakıt pili çalışma prensibinin şematik gösterimi

4.2 YAKIT PİLİ TÜRLERİ:

Yakıt pilleri çeşitli şekillerde sınıflandırılabilmektedir.

Çalışma sıcaklıklarına göre;

• Yüksek
• Orta
• Düşük

sıcaklıklarda çalışan yakıt pilleri olarak sınıflandırılabilirler.

Çalışma basıncına göre;

• Yüksek
• Orta
• Düşük (Atmosferik)

basınçlı sistemler olarak sınıflandırılabilirler.

Kullandıkları yakıt ve/veya oksidanta göre;

• Gaz reaktantlı (Hidrojen, amonyak, hava ve oksijen gibi)
• Sıvı yakıtlı (Alkoller, hidrazin, hidrokarbonlar)
• Katı yakıtlı (Kömür, hidritler)

yakıt pilleri olarak sınıflandırılabilirler.

Pratik nedenlerden dolayı yakıt pilleri sistemleri basitçe kullandıkları elektrolit tipine göre sınıflandırılmaktadır ve bu adlandırmalar ve kısaltmalar şu anda yayınlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Buna göre yakıt pilleri;

• Proton elektrolit membranlı yakıt pili (Proton Exchange Membrane -PEMYP)
• Fosforik asit yakıt pili (Phosphoric Acid - FAYP)
• Alkali yakıt pili (Alkaline - AYP)
• Ergimiş karbonat yakıt pili (Molten Carbonate - EKYP)
• Katı oksit yakıt pili (Solid Oxide - SOFC)

Tablo 3.2 Yakıt pili tipleri ve genel özelikleri

4.2.1 KATI OKSİT YAKIT PİLİ (SOFC)

Katı oksit yakıt pilleri yaklaşık 1000 santigrat derece sıcaklıkta çalışırlar ve sıvı bir elektrolit yerine sert, seramik bir elektrolit kullanırlar. Katı elektrolitin her iki tarafı geçirgen özel elektrot maddeyle kaplanmıştır.

Yüksek çalışma sıcaklığında, negatif yüklü oksijen iyonları kristal madde içerisinde hareket eder. Hidrojen içeren bir yakıt gazı anottan geçirildiğinde negatif yüklü oksijen iyonları yakıtı oksidize etmek için elektrolitten geçer. Oksijen genellikle katot tarafında havadan elde edilir. Anotta oluşan elektronlar harici bir yol kat ederek elektrik devresini tamamlar ve elektrik enerjisi üretilmiş olur. Katı oksit yakıt pillerinde verim %60 seviyesindedir.

4.2.1.1 KATI OKSİT YAKIT PİLLERİNİN TARİHÇESİ

Katı oksit ve erimiş karbonat yakıt pillerinin tarihsel gelişimi beraber devam etmiştir. 1930'ların sonunda İsviçreli bilim adamı Emil Baur ve arkadaşı H. Preis zirkonyum, yttrium, seryum, lantanyum ve tungsten gibi katı oksit elektrolitler kullanarak deneyler yapmışlardır.

Bu çalışmalardaki tasarımları elektriksel açıdan yeterince iletken olmadı ve elektrolitlerle aralarında karbonmonoksitin de bulunduğu çeşitli gazlar arasında istenmeyen reaksiyonlar meydana geldi.
1940'ta Rus bilim adamı O. K. Davtyan, iletkenliği artırıcı çalışmalar yaptı ancak istenmeyen kimyasal reaksiyonları engelleyemedi.

1950'lerin sonlarında katı oksit yakıt pilleri çalışmasına Lahey'deki Central Technical Institute'de, Pensilvanya'daki Consolidation Coal Company'de ve New York'taki General Electric tesislerinde hız verildi.
1959'da katı elektrolitlerin yüksek elektriksel iç direnç, erime, ve yarı iletkenlikten kaynaklanan kısa devre olayları gibi problemler yarattığı belirlendi. Bu yüzden erimiş karbonat yakıt pillerinin daha avantajlı olduğu kabul edildi. Ancak katı oksit pillerden herkes ümidini kesmedi. Örneğin 1962 yılında Westinghouse araştırmacıları zirkonyum oksit ve kalsiyum oksit kullanan bir pili test ettiler. Son olarak ta dünyada artan enerji ihtiyacı ve tırmanan enerji fiyatları üzerine birçok şirket yeniden katı oksit yakıt pilleri konusundaki çalışmalarına hız verdi.

4.2.1.2 KATI OKSİT YAKIT PİLLERİNİN UYGULAMALARI

Erimiş karbonat yakıt pilleri gibi katı oksit yakıt pilleri de çok yüksek sıcaklıklarda faaliyet göstermektedir ve bunlar da genelde büyük sabit santrallerde kurulur. Yine yüksek sıcaklıktan dolayı açığa çıkan ısı kojenerasyonda kullanılmaya uygundur.

Katı oksit yakıt pilleri de diğer tipler gibi oldukça temizdir. Ürettikleri doğru akımın alternatif akıma çevrilmesi için inverter sistemleri gereklidir. Basit yapıları ve temiz olmaları kentlerde kullanımını cazip kılmıştır. Örneğin Tokyo'da 25 kW'lık üniteler halen çalışmaktadır.

Nisan 2000'de ABD Enerji Bakanlığı National Fuel Cell Research Center and Southern California Edison'da kurulacak bir katı oksit yakıt pili mikrotribun kojenerasyon tesisini duyurdu. Tesisin yakıt pili Siemens Westinghouse tarafından ve tribün ise Northern Research and Engineering Corporation tarafından üretildi. Tesiste doğal gaz yakıtlı katı oksit yakıt pilinden 220 kW enerjinin yaklaşık %55 verimle elde edilmesi planlanmaktadır.

Katı oksit yakıt pilleri konusundaki ortaklığını sürdüren Siemens-Westinghouse 2002 yılı itibariyle toplam 1 MW yakıt pili ve kojenerasyon tesisini kullanıma açmışlardır.

Bu yakıt pili tipi, büyük, yüksek güç uygulamaları gerektiren endüstriyel ve büyük ölçekli merkezi elektrik üretimi istasyonlarında kullanılabilme umudu vaat eden bir başka yakıt pilidir. Bazı üreticiler SOFC 'eri motorlu araçlarda kullanmayı düşünmektedirler ve SOFC 'ler ile beraber yakıt pilleri yardımcı güç üniteleri (APU) geliştirmektedirler. Bu katı oksit sistemi genellikle sıvı elektrolit yerine,çalışma sıcaklıklarının 1800 F veya 1000 0C ' ye ulaşmasına izin veren sert seramik katı zirkonyum ve az miktarda yitrium malzemelerini kullanır. Güç üretim verimliliği %60 'lara,kojenerasyonla %85 'e ulaşmakta ve hücrenin gücü 100 kW 'a varmaktadır. SOFC'nin uzun tüpler şeklinde yerleştirilmiş bir türü ile sıkıştırılmış disklerden oluşan değişik tipleri mevcuttur. Şekil 3.2. 'te sıkıştırılmış disklerden oluşan SOFC dizaynı ve Şekil 3.3. 'te de uzun tüp şeklindeki SOFC dizaynı görülmektedir. Boru şeklindeki SOFC dizaynları ticarileşmeye daha elverişlidirler ve dünya çapında birçok şirket tarafından üretilmektedirler. Tüp şeklindeki SOFC dizaynları 220 kW'a kadar güç üretebilmektedirler. Japonya, halen kullanımda olan iki adet 25 kW 'lık üniteye sahiptir ve Avrupa 'da 100 kW 'lık bir tesis test edilmektedir.

Şekil 3.2 Sıkıştırılmış disk şeklindeki SOFC Dizaynı

Hücrede gerçekleşen reaksiyonlar şöyledir;

Reaksiyon sırasında ortaya çıkan elektronlar, yakıt pili devresinden elektrik akımı olarak akmakta ve elektrik şebekesini beslemektedir. Serbest elektronlar,katoda ulaştığında devre tamamlanmaktadır. Bu reaksiyonların oluşması için gerekli şartların oluşturulmasında katalizörlere ihtiyaç duyulmaktadır. PEMYP,FAYP ve AYP 'de platinyum,ergimiş karbonatlı ve katı oksit yakıt pillerinde ise nikel bazlı katalizörler kullanılmaktadır.

Bütün yakıt pili çeşitlerinde hidrojene ihtiyaç duyulmaktadır. Hidrojence zengin metanol,doğal gaz,petrol türevleri yakıt olarak kullanılabilir. Hidrojenin direkt olarak kullanımı,yüksek depolama maliyeti ve güvenlik nedeni ile bir takım sakıncalar içermektedir.

Şekil 3.3 Tüp şeklindeki SOFC dizaynı

Şekil 3.4 'de Siemens firmasına ait bir SOFC uygulaması görülmektedir;

Şekil 3.4 Siemens firmasına ait bir SOFC uygulaması

5.YAKIT PİLİ UYGULAMA ALANLARI

• Uzay Çalışmaları/Askeri Uygulamalar
• Evsel Uygulamalar
• Sabit Güç Üretim Sistemi/Yüksek Güç Üretim Sistemi Uygulamaları
• Taşınabilir Güç Kaynağı Uygulamaları
• Atık/Atık Su Uygulamaları
• Taşıt Uygulamaları

Uzay Çalışmaları/Askeri Uygulamalar

Yakıt pillerinin ilk uygulanma alanı, uzay çalışmalarıdır. ABD'de NASA'nın çalışmaları kapsamında Apollo, Gemini, ve Space Shuttle uzay gemilerinde H2-O2 yakıt pili birbirine bağlı 3 ünite olarak kullanılmıştır. Toplamda 93 adet olmak üzere her ünitede 31 adet yakıt pili kullanılmıştır. Toplam üretilen güç 1.4 kW ve voltaj 27-31 Volt'tur. Pillerin ağırlığı 111 kg'dır. 1995 saatlik uçuş süresince 450 kg su ve 325 kW/h'lik enerji üretilmiştir. Gemini gemisinde ise, farklı olarak PEM tipi yakıt pili kullanılmıştır. Her ünitede 32 adet pil bulunmakta ve 1 kW güç sağlanmaktadır. Bu üç gemide de 2 ünite ihtiyacı karşılamak için yapılırken, 3. ünite acil ve özel görev için hazırda tutulmuştur. Bugün uzay mekiği elektriği 12 kW'lık yakıt pilleri ile üretilmektedir. Amerikan UTC Fuel Cell firması NASA ihtiyacını karşılamaktadır.
Stratejik bir önemi olan enerji kaynakları, ülkelerin politikalarında önemli bir yer tutmaktadır. Yakıt çeşitliliği ve veriminden dolayı, askeri amaçla kullanılabilecek en iyi yakıtlardan biri yakıt pilidir. Gerek askeri araçlarda, gerek ısı ve elektrik ihtiyacı durumunda kolay kullanımıyla askeri yönden yakıt pilleri iyi bir alternatiftir.

Evlerdeki Uygulamalar

Sessiz çalışan yakıt pilleri, evlerde veya apartmanlarda ısıtma ve elektrik ihtiyacını sağlamak için kullanılabilecek bir alternatiftir. Bu tipte kullanılabilecek yakıt pilleri, propan ve doğal gazdan üretimi sağlayarak elektrik üretmekte ve oluşan ısı geri kazanılarak ısıtma sistemlerinde kullanılmaktadır. 3-5 kW'lık yakıt pilleri evsel tüketim için uygundur. Amerikan hükümeti hidrojenli yakıt pili uygulamaları için konutlarda 1000$/kW vergi indirimi uygulamaktadır.

Sabit Güç Üretim Sistemi/Yüksek Güç Üretim Sistemi Uygulamaları

Dünyada şu anda yüzlerce sabit güç kaynağı olarak kurulmuş yakıt pili istasyonu bulunmaktadır. Bu enerji üreteçleri; hastanelerde, otellerde, iş yerlerinde, okullarda, güç istasyonlarında, havaalanlarında gerek elektrik gerek ısıtma sistemlerinde kullanılmaktadır. Bu sistemleri kullanan şirketlerin enerji harcamalarında %20- 40 arasında bir düşüş görülmektedir.
Proton Değişim Membranlı Yakıt Pili (PEM) santrallerinde verim %55 civarındadır. Üretimde açığa çıkan karbon dioksit ve su buharı ek bir elektrik üretiminde değerlendirilirse, enerji verimi %80'e çıkmaktadır.
Yakıt pilli güç üretim sistemleri az yer kaplamaktadır. 2 MW'lık bir santral 20 m2'den az bir alanda kurulabilmektedir. Minibüs büyüklüğündeki bir santral ile 20 kW güç üretilebilmektedir. Bu santrallerin önemli uygulamalarına örnek olarak Amerikan ONSI firmasının Kaliforniya'daki 2 MW'lık, UTC Fuel Cell firmasının Alaska'daki 200 kW'lık, Westinghouse-Kanada'nın Hollanda'daki 100 kW'lık sistemleri verilebilir.

Taşınabilir Güç Kaynağı Uygulamaları

Telekomünikasyon alanında, bilgisayar dünyasında, görüntü teknolojisinde, alarm sistemlerinde yakıt pili taşınabilir güç kaynağı uygulamaları söz konusudur. Bu tip uygulamalar üzerinde çalışmalar sürmektedir. Minyatür yakıt pilleri pazara çıktıkları zaman, cep telefonu sahipleri cep telefonlarını bir ay şarj etmeden kullanabileceklerdir. Bu tip yakıt pilleri metanol ile çalışabilen, çok küçük boyutta üretilen pillerdir.

Atık/Atık Su Uygulamaları

Atık su ve atıkların işlenmesi sırasında yanma reaksiyonları sonucunda oluşan emisyonları azaltmak ve oluşan metan gazından güç elde etmek için yakıt pilleri kullanılmaktadır.

Taşıt Uygulamaları

Elektrikli taşıtlar 2000'li yılların yeni-temiz alternatif uygulamaları arasında ön sırada yer almaktadır. Elektrikli taşıtlar:

• Enerjiyi doğrudan hattan alarak (tren, troleybüs, tramvay, metro gibi)
  
• Enerjiyi depolanmış bir sistemden kullanarak (akülü taşıtlar, ultra kapasitörlü taşıtlar)
  
• Taşınabilir bir sistemden anında enerji üreterek (yakıt pilli taşıtlar, güneş pilli-fotovoltaik pilli taşıtlar)
  
• Hibrit elektrikli taşıtlar (benzin-yakıt pili, motorin-yakıt pili taşıtları)

şeklinde uygulamadadır.

Bu uygulamalar içinde yakıt pilli elektrikli taşıtlar pek çok avantaj ile öndedir ve geleceğin otomotiv teknolojisi içinde hidrojen kullanan yakıt pilli elektrikli taşıt uygulaması çok büyük alan kaplayacaktır.
Yakıt pilleri otobüs, kamyon, otomobil ve her türlü taşıt için yakıt görevi yapabilecek özelliklere sahiptir. Yakıt pilli araçlar, benzin ve motorin ile çalışan araçlara göre daha temiz, ve enerji bakımından daha verimli bir uygulamadır. Günümüzde taşıt emisyonlarının çevre kirliliği üzerindeki etkileri düşünüldüğünde, yakıt pili ile çalışan araçlar çevre dostu ve kârlı bir seçimdir. Elektrikli araçlar içten yanmalı motorlara göre daha yüksek verimlidir.

Kullanılan yakıtın enerji içeriğine bağlı olarak yakıt pili ile çalışan araçlarda güç üretimi %40-70 arasındadır. Hareketli parçası olmayan yakıt pilleri kullanımında taşıtın gürültü kirliliği de görülür düzeyde azalmaktadır. Bir diğer avantaj ise, yakıt olarak hidrojen kullanıldığında araçlarda emisyon olarak sadece su oluşmasıdır.
DaimlerChrysler-Ballard-Ford konsorsiyumu (XCELLSIS) Kanada, Amerika ve Avrupa'da 2005 yılından itibaren PEM ile çalışan otobüsleri piyasaya süreceklerdir. Araçlarda saf hidrojen gazı kullanılması hedeflenirken, kısa ve orta vadede bu tercih incelenmelidir. Hidrojen gazının depolanması üzerinde çalışmalar son hızıyla devam etmekte olup, hidrojen depolanması yüksek basınçlı, hafif silindirler, kriyojenik sıvı sistemleri ve katı metal hidrit depolama gerektirmektedir. Basınçlı hidrojen en iyi sistem olmakla birlikte hafif araçlarda gerekli olan hacim ve ağırlık kriterlerini karşılamamaktadır. Günümüzde nanoteknolojilere olan ilginin artışı ile birlikte hidrojen depolamada kullanılması hedeflenen karbon nano-tüpler gelecek için umut vericidir. Bu sistemlerde hidrojen gazına alternatif olarak sıvı yakıt beslemesi önerilmektedir. Günümüzde bu tip uygulamalara örnek olarak lider otomotiv firmaları metanol kullanılan araçlar üretmişlerdir;

• Ford Motor Focus FC5
• General Motors Opel Zafira
• Honda Motor FCX- V2
• DaimlerChrysler NECAR 3 prototipi
• Mazda Motor Premacy FC- EV
• Nissan Motor R'nessa ve Xterra
• Toyota RAV4
• Volkswagen Capri modelleri

6. YAKIT PİLİNİN AVANTAJLARI:

Yakıt pillerinin diğer enerji sistemlerine göre avantajları sırasıyla aşağıda sıralanmıştır:

Yakıt pili termal enerji sistemlerine göre daha yüksek verimle çalışır. Termal sistemlerden elektrik üretiminde sistemin verimi "Carnot Çevrimi Kriterleri"'nden etkilenirken, yakıt pili sistemlerinde bu etkileşim yoktur. Termal sistemlerde elektrik üretimindeki verim %35-40'ı geçemezken, yakıt pili sistemlerinde %70'e yakın verimle çalışılmaktadır.

Yakıt pilinde meydana gelen emisyon miktarı, diğer yakıtlara göre ihmal edilecek kadar azdır. Yan ürün olarak bir tek su oluşmaktadır. Yakıt pillerinde CO, NOx, yanmamış hidrokarbonlar, ve kirletici diğer maddeler oluşmazken, oksitleyici olarak hava kullanıldığında ihmal edilecek kadar az miktarda azot oksitler, hidrokarbonlar kullanıldığında ise çok düşük miktarda CO2 oluşur. Günümüzde çevre kirliliği ve insan sağlığı için birçok yasal kısıtlamaların uygulandığı bu zamanda, diğer teknolojilerde maliyeti çok fazla arttırmaktayken, bu sistemin çevre dostu olması çok değerli bir alternatif yakıt olmasına neden olmaktadır.

Hareketli aksamın bulunmadığı yakıt pillerinde sistem, gürültü kirliliği oluşturmamaktadır.

Yakıt pillerinde kullanılabilecek yakıt sayısı çok fazla olduğundan, fosil ve alternatif yakıtların kullanımının kolaylığı nedeniyle çok farklı alanlarda kullanılabilmektedir. o Yakıt pilleri istenilen büyüklükte ve kapasitede üretilebilir. Basit bir yapıya sahiptirler. Büyüklüklerine göre 10 W'tan 4.5 kW'a kadar olan bir güç yelpazesine sahiptirler. Boyutları bir el çantasında taşınabilecek kadar küçük veya buzdolabı kadar büyük olabilmektedir.

Modülerdirler. Gerekli görülen her yerde kullanılabilir ve yerleştirilebilirler.

Yakıt pili sistemlerinde yan ürün olarak oluşan atık ısı geri kazanılabilir.

Yakıt pilleri dayanıklı ve güvenli sistemlerdir.

7. SONUÇ:

Yakıt pilleri gelecekte güç üretimine büyük katkıda bulunacaklardır. Birçok uygulamada esnekliği ve opsiyonelliği artırmaktadır. En önemli özellikleri ise diğer enerji dönüştürücü sistemlere göre daha verimli oluşlarıdır. Düşük ve yüksek sıcaklık yakıt pillerinin her ikisi de uygulamanın özelliklerine bağlı olarak farklı avantaj ve dezavantajlara sahiptirler. Bazen her ikisi de benzer işlerde kullanılabilirler. Güç ihtiyacının artması durumunda pil sayısının artırılması yoluyla problemin çözümü modüler oluşlarının sağladığı oldukça yüksek esnekliğin bir sonucudur.
Tablo 4.1 'de beş yakıt pili teknolojisinin karşılaştırılması verilmiştir. Burada karşılaştırılması yapılan yakıt pilleri sırasıyla (yukarıdan aşağıya doğru) PEMYP,AYP,FAYP,EKYP ve SOFC 'dır.

Tablo 4.1 Beş yakıt pili teknolojisinin karşılaştırılması

Yirmi yıl önce,özellikle üniversiteler,araştırma enstitüleri ve çok az sayıdaki şirket yakıt pillerinin temelleri ve özellikleri üzerinde araştırma yapmaktaydı. Bugün ise sayısız araştırma grubu yakıt pilleri üzerinde çalışmaktadır.
Yakıt pili sistemleri,sabit güç istasyonları ve küçük güç gereksinimlerinin olduğu uygulamalar (trafik ışıkları vb.) gibi birçok alanda ticarileşmesi,araştırma - geliştirme dinamiklerinde hatırı sayılır bir hızlanmaya neden olacaktır.
Her türlü uygulama için kullanılabilecek ideal bir yakıt pili sistemi yoktur. Amaca en uygun yakıt pili sistemi,uygulamanın gereksinimlerine bağlı olarak değişmektedir. Özel amaçlı kullanımda yalnızca yakıt pili değil,tüm sistem incelenerek karar verilmelidir. Belirli bir yakıt pili tipi belirli bir uygulama için mükemmel olabilir,ancak hidrojenin depolanması ve/veya dönüştürücü sistem de hesaba katıldığında böyle olmayabileceği görülür. Buna göre,dahili dönüştürücü konfigürasyonu içermekte olan ve hidrokarbon yakıt kullanan yüksek sıcaklık yakıt pilleri düşük sıcaklık pillerine nispeten daha basit sistem dizaynı gerektirirler. Taşınabilir aygıtlarda düşük sıcaklık sistemleri olan PEMYP ve DMYP sistemleri tek seçenektir.
Yakıt pili sistemlerinde elde edilen toplam verim klasik sistemlerden daha fazladır ve yakıt pillerinin klasik sistemlere ilave olarak pazara girdikleri görülmektedir. Birkaç yıl içerisinde,teknolojideki ilerlemelere ve üretim hacmindeki artışa bağlı olarak fiyatları düştüğü zaman klasik sistemlerle yarış edebilecek duruma geleceklerdir.
Piyasada uzun zamandan beri bazı ticari yakıt pili sistemleri bulunmaktadır. ONSI tarafından pazarlanan FAYP,200 kW sınıfında alınabilecek tek yakıt pili sistemidir. H-Power Corp.,Ballard ve Plug Power gibi şirketler de kendi ürünlerinin reklamlarını yapmaktadırlar. Diğer uygulamalar için de yakıt pili sistemlerinin pazara tanıtılması çok yakındır.
Bunların yanı sıra yakıt pillerinin de çözülmesi gereken bazı sorunları vardır. Bunların başında pahalı oluşları,henüz çok yaygın olarak kullanılmamaları,gerekli alt yapının tam olarak oluşturulamaması ve depolama,taşıma vb. problemler verilebilir. Bu sorunlar da çözüldüğünde yakıt pilleri hayatımızdaki yerlerini alacaklardır.

8. KAYNAKLAR:

1- ARITA, M. Powertrain and Environment Research Laboratory, Nissan Motor Co. Ltd. 1,Natsushima - cho,Yokosuka 237,8523,Japan,s. 10 - 14
2- KORDESCH, K., SIMADER, G. 1996. Fuel Cells and Their Applications,Federal Republic of Germany,361 s.
3- YEŞİL, M. 2002. Yakıt Hücreleri ve Yakıt Hücrelerinin Otomotiv Uygulamaları,Bitirme Ödevi,Bursa, 36 s.
4- ANDERSON, B., " Fuel Cells for Marine Applications", Hydrogen Today, p. 11-15, Vol 13, No. 1, 2002.
5- ÇETİNKAYA, M., Karaosmanoğlu, F., "Yakıt Pillerinde Hidrojen Kullanımı", 1. Ulusal Hidrojen Kongresi, 16 Temmuz 2002, Ankara.
6- ÇETİNKAYA, M., "The Use of Cyclic Voltammetry In Oxygen Reduction Reaction on Polycrystalline Pt Electrodes", İstanbul Teknik Üniversitesi, Kimya Bölümü Lisans Tezi, İstanbul, Haziran 2001.
7- ÇETİNKAYA, M., Karaosmanoğlu, F., "Yakıt Pillerinde Hidrojen Kullanımı- 1", 3e Electrotech, Bileşim Yayıncılık A.Ş., 100, s. 90-94, İstanbul, Eylül, 2002.
8- ÇETİNKAYA, M., Karaosmanoğlu, F., "Yakıt Pillerinde Hidrojen Kullanımı- 2", 3e Electrotech, Bileşim Yayıncılık A.Ş., 101, s. 79-82, İstanbul, Ekim, 2002.
9- KADIRGAN, F., "Hidrojenli Yakıt Hücreleri Teknolojilerinde Son Gelişmeler", 3e Electrotech, s. 64-68, Bileşim Yayıncılık A.Ş., İstanbul, Ocak, 2003.
10- KIRK-OTHMER, "Encyclopedia of Chemical Technology", 2nd Edition, John-Wiley & Sons Inc, USA, 1971.
11-LİNDEN D., "Handbook of Batteries and Fuel Cells", McGraw Hill Publishing Company, 1984.
12- www.alliedsignal.com
13- www.cafcp.org
14- www.daimlerchrysler.com
15- www.drivingthefuture.org
16- www.fuelcells.com
17- www.howstuffworks.com/engine4.html
18- www.internationalfuelcells.com
19- www.nfcrc.uci.edu
20- www.usfcc.com
21- www.utc.com