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