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