Yakıt Pili Çeşitleri

Elektrolit kullanım tiplerine göre yakıt pilleri birkaç çeşit’e ayrılabilir.

1.Alkali Yakıt Pili (AFC)

Bu yakıt pilinde elektrolit olarak KOH kullanılır.Alkali elektrolitlerde oksijen indirgeme kinetiği asit elektrolitlerden daha hızlıdır ve soy metal olmayan elektro katalizörlerin kullanılabilmesi AFC’yi ekonomik yapmaktadır.Ancak elektrolitin CO2 gibi asidik safsızlıkların ortamda bulunmasına izin vermemesi emisyon oranından dolayı sorun yaratır.

Alkali sistemler oda sıcaklığında çok iyi çalışır ve diğer tüm yakıt sistemleri arasında en yüksek voltaj verimine sahiptirler.Ayrıca birçok malzeme ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC’ler uzun işletim ömrüne sahiptir.

AFC’ler güvenilir sistemlerdir ve küçük hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirler.Güç yoğunlukları 100-200 mW/cm² arasında değişmektedir.Maliyetler ise ulaştırma sektörü için 50/100 $/kW değerlerine ulaştırılmaya çalışılmaktadır.

Alkali Yakıt Pilinin Şematik Gösterimi

2.Fosforik Asit Yakıt Pili(PAFC)

Elektrolitik olarak fosforik asitin kullanıldığı bu yakıt pilinde bağıl olarak temiz yakıtlar (doğalgaz,LPG gibi) veya gazlaştırıcıdan alınan temizlenmiş kömür gazı kullanılır.Pazara en yakın iki uygulama üzerinde durulmaktadır.Bunlar güç santralleri ve kojenarasyon üniteleridir. PAFC’inde soy metal elektro katalizör kullanmak gerekmektedir.Bu dezavantajına rağmen fosforik asit bir elektrolit olarak mükemmel ısıl,kimyasal ve elektrokimyasal kararlılık gibi avantajlar sağlamaktadır.Ayrıca PAFC’ler atık ısıdan yararlanabilme açısından çok avantajlıdır.

PAFC sistemleri yeryüzündeki uygulamalarda en çok gelişme gösteren sistemlerdir. Çoğunlukla apartmanlar,alışveriş merkezleri gibi yerlerde elektrik üretmek amacıyla kullanılmaktadırlar.PAFC’ler 250 W’dan 200 kW’a kadar,24 V’luk elektrik jenaratörü şeklinde ticari olarak piyasaya sunulma aşamasındadır.Yakıt olarak doğalgaz kullanan 200 kW’lık bir PAFC sisteminde yatırım maliyeti 287 $/kW’dır.

PAFC’ler sabit bir çıkış seviyesinde en iyi verimde çalışabilmektedirler.Hibrit bir sistem ile ivmelenmenin gerektirdiği yüksek güç gereksiniminin başka araçlarla karşılanması durumunda daha iyi performans göstermektedir.PAFC’lerin en güzel uygulamaları ağır yük taşıtları yada lokomotiflerde olacaktır.

Fosforik Asit Yakıt Pili Şematik Gösterimi

3. Katı Oksitli Yakıt Pilleri (SOFC)

SOFC’ler katı haldeki yakıt pilleridir.Hücre malzemelerinin çoğu özel seramik ve nikelden oluşmaktadır.Çalışma sıcaklığı 1000 ºC civarındadır.Yakıt olarak CO ile birleşmiş halde hidrojen kullanılmaktadır ve reaksiyon ürünü olarak ta su buharı ve CO2 çıkmaktadır.

SOFC’ler kojenerasyon ünitesi olarak hem elektrik hem de ısının kullanılabileceği yerlerdir.1000 ºC dahi elde edilecek buhar ile bir buhar türbini çevrimini kombine olarak birleştirebilir.Böylece toplam sistem verimi %50-55 mertebesine ulaşabilmektedir.Şu anda hesaplanan yatırım maliyetleri 1500 $/kW mertebesindedir.

Katı Oksitli Yakıt Pili Şematik Gösterimi

4.Proton Değişim Membranlı Yakıt Pili (PEMFC)

PEMFC’ler 1960’ların başında General Electric tarafından icat edilmiştir.Katı polimer elektrolitli yakıt hücresi olarak ta adlandırılır.Bu tip yakıt hücrelerinde proton(hidrojen iyonu) geçirebilen membranlar kullanılmaktadır.

PEM yakıt pili,platin ile kaplanmış iki elektrotun arasına preslenmiş perflorlu sülfönik asit polimerler gibi proton ileten bir katı elektrolitten oluşur.Buradaki elektrolit anot ile katot arasında bir gaz sütunu oluşturarak anottan katoda doğru hidrojen iyonlarının taşınmasını sağlar.Polimer elektrolite gaz elektrotlarda bulunan gaz difüzyon kanalcıklarından oluşur.Aynı zamanda bu kanallar elektrik akımını toplama görevini de üstlenir.PEM’lerin çalışma sıcaklığı 80-90 ºC gibi çok düşük sıcaklıklarda ve çalışma basınçları da 1-8 atm basınç arasındadır.Bu tip yakıt hücreleri belli bir nem oranında hidrojen ve oksijen ile çalışabilmektedir.

PEM’ler 350 mW/cm² gibi yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir ve şu anda ticari olarak 100-500 W güç aralığında elde edilebilir durumdadırlar.Yatırım maliyetleri de 5000-13000 $ arasında değişmektedir.Membran ve katalizör maliyetlerindeki düşüş ile ve seri üretime geçilmesi durumunda bu maliyetler 10-20 kat aşağıya inebilecektir.

Yüksek güç yoğunluğu,hızlı ve çabuk marş yapabilme ve değişken güç çıkışına uygun olması PEM’lerin ulaşım alanında kullanılabilmesini uygun kılmaktadır.

PEM Yakıt Hücresinin Çalışma Şekli

Bir PEM Yığını(Stack)

Bir Membran Yığın İçine Yerleştirilirken

Proton Değişim Membranlı yakıt pili şematik gösterimi

PEM) Yakıt hücresi çalışma mekanizması suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakıt
hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir.

Bu reaksiyon sonucunda elektrik, su ve bir miktar ısı açığa çıkar. Açığa çıkan bu ısı
miktarı evsel veya herhangi bir uygulama için kullanılarak yakıt hücresinden elde edilen
toplam verim arttırılabilir.

5.Eriyik Karbonatlı Yakıt Pili(MCFC)

MCFC’ler 600-650 ºC sıcaklıkta çalışır ve son dönemlerde geliştirilen ikinci jenerasyon yakıt pillerindendir.Anotta CO2’ce zengin gaz ürün ve H2O üretimi sağlanır, CO2 katota giren hava ile karıştırılmak üzere gönderilir.

MCFC işletim sıcaklığı yüksek olması nedeniyle değerli atık ısı,proses ısısı ve kojenarasyon amaçlı olarak kullanılabilir.En önemli avantajları hücre içindeki kendi atık ısısı desülfürizasyondan geçmiş metanın anot odasında hidrojene dönüştürülmesi için doğrudan kullanılabilmektedir.MCFC’ler için hedeflenen yatırım maliyeti 1000 $/kW seviyesindedir.

Eriyik Karbonatlı Yakıt Pili Şematik Gösterimi

Yakıt Hücrelerinin Karşılaştırılması

Yakıt hücreleri ürettikleri ısı,kullandıkları elektrolit,ürettikleri güç gibi verilerle karşılaştırılabilirler.Aşağıdaki tabloda yukarıda anlatılan 5 adet yakıt pilinin özellikleri karşılaştırılmıştır.

Aşağıdaki grafikte PEM ile SOFC yakıt pillerinin,buhar türbini,seramik gaz türbini ve dizel yakıt ile elektrik üretimi koşullarında karşılaştırılması yapılmıştır.

Gelecekteki Elektrik Santrallerinin Verim Oranları

Aşağıdaki tabloda ise 3 farlı yakıt tipine sahip otomobillerin verim oranları karşılaştırmalı olarak verilmiştir.

Otto, Diesel ve Yakıt Hücreli Araçların Verim Karşılaştırması