yakit pili

YAKIT PİLİ (FUEL CELL)

TEKNOLOJİSİ

Yakıt Pili (FC) Nedir?

Yakıt Pili elektrik üretmek için hidrojen ve

oksijeni birleştiren bir elektrokimyasal bir

cihazdır. Yan ürün olarak su ve ısı açığa

çıkar.

Yakıt Pili Teknolojisi Niçin

Önemlidir?

Yakıtın enerjiye dönüşümü

elektrokimyasal olur, yanmayla değil

Temiz, sessiz ve yüksek verimli proses-

yakıt yanmasına göre 2 – 3 kat daha

fazla verimlidir.

Yakıt Pili Nasıl Çalışır?

Çalışma prensibi pilinkine çok benzer

fakat pildeki gibi enerjisinde ne zamanla

düşme olur ne de sarj gerektirir.

Yakıt sağlandığı sürece enerji ve ısı

üretir.


Yakıt Pili iki katalizör kaplı elektrot ve

onları çevreleyen elektrolit ten oluşur.

Elektrot lardan biri anot, diğeri katot dur.


Süreç hidrojen moleküllerinin anota

girmesi ile başlar.

Katalizör kaplama hidrojenin negatif

yüklü elektronlarını pozitif yüklü

protonlardan ayırır


Elektrolit, protonların katoda geçmesine

izin verirken elektronların geçmesini

engeller.

Bunun yerine elektronlar elektrik akımı

yaratan bir dış devreye yönlendirilir.


Elektronlar dış devreden geçerken,

oksijen molekülleri katota geçer.

Elektronlar dış devre üzerinden geçtikten

sonra oksijen ve protonlarla birleşir.

Oksijen ve protonlar elektronlarla

birleştiğinde su ve ısı üretilir.


Yakıt pilleri seri olarak yerleştirilerek yakıt

pili grupları oluşturulur.

Pil grupları bir sistem içinde kullanılarak

bir taşıta güç saglıyabileceği gibi sabit

güç kaynağı olarak binalarda da

kullanılabilir.

Yakıt Pili Çeşitleri

Genel olarak tüm yakıt hücrelerinde aynı

temel yapılandırma vardır - Elektrolit ve

iki elektrot.

Farklı tipteki yakıt pilleri kullanılan

elektrolit türüne göre sınıflandırılır.

Kullanılan elektrolit türü gerçekleşecek

kimyasal reaksiyonları ve çalışma

sıcaklık aralığını belirler

Başlıca Yakıt Pili Türleri

Proton Değişimli Membran( Proton Exchange Membrane -PEM) Bu tür otomobillerde yaygın

olarak kullanılır

Elektrolit olarak polimer membran kullanılır

Göreceli olarak düşük sıcaklıkta çalışır, yaklaşık 175 derece

Enerji yoğunluğu yüksektir, enerji çıkışını hızlı değiştirebilir ve başlangıcı hızlıdır bu yüzden otomobillerde kullanımı yaygındır

Yakıt kirliliğine duyarlıdır


Direkt Methan (PEM alt türevi) Beklenen verimlilik %40 – düşük çalışma sıcaklıkları

120-190 derece

Elektrolit olarak polimer membran kullanır

PEM den farklı olarak anode katalizörü ara işleme ihtiyac duymadan direkt olarak methanın içindeki hidrojeni kullanır

Küçük taşınabilir güç uygulamalarında kullanılır – cep telefonu, laptop gibi


Fosforik Asit Ticari olarak en çok

geliştirilen yakıt pili Verimliliği %40 ın üzerinde

Elde edilen buharın %85 i cogeneration için kullanılabilir

Elektrolit olarak sıvı fosforik asid kullanılır ve çalışma sıcaklığı yaklaşık 450 derece F

Bir önemli avantajı yakıt olarak saf olmıyan hidrojen kullanılabilir


Erimiş Karbonat Yüksek yakıt-elektrik verimliliği ve kömür bazlı yakıt

kullanılabilmesi gelecek vaad etmektedir

Erimiş karbonat tuz karışımından oluşan bir elektrolit kullanılmaktadır

Katota karbon dioksit ve oksijen verilmesi gerekir

Çalışma sıcaklığı çok yüksektür - 1200 derece

Öncelikli uygulama alanı elektrik santralleridir

Yakıt olarak hidrojen, karbon monoksit, doğal gaz, çöp gazı kullanılabilir


Erimis Karbonat Yakıt

Pili

Çok yüksek sıcaklıklardan

dolayı anod ve katot ta

değerli olmıyan metallerin

kullanılması maliyeti

azaltır

Dezavantajı uzun ömürlü

olmamasıdır

Gerekli yüksek sıcaklık ve

aşındırıcı elektrolit ömrünü

kısaltır


Katı Oksit elektrolit olarak sert,

gözeneksiz seramik bileşiği

kullanılır

Verimliliği %60 a varır

Çok yüksek sıcaklıklarda

çalışır - 1800 derece

Yüksek çalışma sıcaklıkları

gerektiğinden endüstriyel

elektrik santrallerinde kullanılır


Alkalin Ağırlıklı olarak Askeri ve uzay programlarında

kullanılır

Verimi %70 kadar ulaşır fakat taşıt uygulamalari için pahalı bulunmaktadır

Apollo uzay aracında elektrik ve içme suyu sağlamak için kullanılmıştır

Elektrolit olarak sulu potasyum hidroksit çözeltisi kullanılır ve 75 -160 derecede çalışır

Anot ve katot da katalizör olarak değerli olmıyan çeşitli metaller kullanılabilir


Alkalin Yakıt Pili

Karbon kirliliğine duyarlı

olduğundan Saf hidrojen

ve oksijen gerektirir

Hidrojen ve oksijen arıtma

işlemi oldukça pahalıdır

Kirlenmeye karşı

hassasiyet pilin ömrünü

etkiler dolasıyla maliyet

artar


Rejeneratif Yakıt Pili

NASA tarafından üzerinde çalışılmaktadır

Enerji üretim kapalı bir döngülüdür

Suyun Hidrojen ve oksijene ayrıştırılması için güneş

enerjisi kullanılır

Hidrojen ve oksijenle beslenen yakıt pili elektrik, ısı

ve su üretir

Yan ürün su güneş enerjili elektrolize geri sirküle

edilerek süreç tekrar başlatılır

Hidrojenin Önemi

Yakıt Pilleri için yakıt olarak yüksek

saflıkta hidrojen gereklidir

Araştırmacılar geniş bir yelpazede çevre

dostu ve ekonomik yöntemlerle hidrojen

üretmek için teknoloji gelişmektedirler

Hidrojenin Önemi

Hidrojen ikincil bir enerji kaynağı olduğunundan başka bir yakıttan yapılmış olması gerekir

Hidrojen çok değişik enerji kaynaklarından üretilebilir:

Fosil yakıtlar, doğal gaz ve kömür gibi

Nükler enerji

Yenilebilinir kaynaklar, güneş, su, rüzgar ve biyokütle gibi

Hidrojen Üretimi

Hidrojen üretimi ile ilgili en büyük sorun

maliyettir

Hidrojen üretim maliyetlerinin taşımacılık

sektöründe yaygın olarak kullanılan

geleneksel yakıtların kilometre bazındaki

maliyetlere çekilerek rekabet edebimesi

ticari pazardaki başarısı için en büyük

engeldir

Hidrojen Üretimi

Hidrojen üretimi üç genel kategoriye

ayrılır

Termal

Elektrolitik

Photolitik

Hidrojen Üretimi

Termal

Doğal gaz

Gazlaştırma

Yenilebilinir Likit oluşturma

Hidrojen Üretimi

Doğal Gaz

Buhar Methan Hidrojen yüksek sıcaklıkta buhar kullanarak

doğal gazın içindeki metandan üretilir

Hidrojen üretmek için Metan bir katalizör yardımı ile buhar ile reaksiyona girer

ABD de kullanılan hidrojenin %95 i bu yolla üretilmektedir

Kısmi oksidasyon Hidrojen methan havada yakılarak üretilir

Hidrojen Üretimi

Gazlaştırma

Kömür veya biyokütle basınç altında ısı

uygulayarak ve buhar eşliğinde gaz

bileşenlerine dönüştürülür

Seri kimyasal reaksiyonların sonucunda

sentez gazı elde edilir bu gaz buhar ile

reaksiyona girerek daha fazla ayrıştırılabilir

hidrojen üretilir

Hidrojen Üretimi

Yenilebilinir Likit oluşturma

Biyokütle yenilenebilir sıvı yakıtlar yapmak

işlenir örneğin etanol ya da biyo-petrol

yüksek sıcaklıkta buharla reaksiyona girerek

hidrojen üretilir

Bu yöntem doğal gazdan üretime çok benzer

Hidrojen Üretimi

Elektrolitik

Elektrolitik yöntemde elektrik akımı

kullanılarak su hidrojen ve oksijen ayrıştırılır

Gerekli elektrik yenilenebilir teknolojiler

kullanılarak üretilebilinir - rüzgar, güneş,

geotermal ve hidroelektrik

Hidrojen Üretimi

Photolitik

Güneş enerji kullanılarak su hidrojen ve

oksijene ayrıştırılır

Bu yöntemdeki ArGe çalışmaları yeni

başlamiş olsada düşük maliyetli ve çevre

dostu üretim için büyük potansiyel

taşımaktadır

Hidrojen Nasıl Depolanır?

Güvenilir ve düşük maliyetli kompakt

hidrojen depolamanın geliştirilmesi yakıt

pili teknolojisinin yaygın kullanımı için en

büyük sorunlardan biridir

Hidrojenin fiziksel özelliklerinden dolayı

büyük miktarlarda depolama yapmak için

büyük hacimelere ihtiyac vardır


Hidrojenin taşıtlarda, üretim yerlerinde,

yakıt istasyonlarında ve enerji

santrallerinde depolanması gerekir

Hidrojen ağırlık olarak çok yüksek enerji

içeriğine sahiptir (benzinin 3 katı) fakat

hacimsel olarak çok düşük enerji

içeriğine sahiptir (benzinin ¼ ü)


Hidrojen orta basınç altında ve oda

sıcaklığında sıkıştırılırsa, çok büyük bir

yakıt tankı gerekir

Araştırmacılar sıkıştırılmış gaz depolama

sistemlerinin ağırlık ve hacimlerini

azaltmaya yardımcı olabilecek hafif ve

güvenli kompozit malzemeler bulmak için

çalışmaktadır


Sıvı hidrojen gaz hidrojenden daha küçük bir tankta depolanabilir, hidrojenin sıvılaştırılması karmaşık ve enerji olarak verimli değildir

Sıvı hidrojen ayrıca ısıya karşı aşırı duyarlıdır ve hatta birkaç derece ısıtıldığında anlamlı olarak genişler, bu yüzden tank izolasyonu gereklidir


Hidrojen sıkıştırıldığında ve cryogenic

olarak dondurulduğunda çok az hacim

kaplar, küçük bir tank yeterlidir fakat çok

düşük sıcaklıkta tutulmalıdır (-120 ile -

196 derece Celsius)


Bilim adamları malzeme tabanlı depolama üzerinde çalışyorlar Oda sıcaklğında ve düşük basınçta hidrojen

atomlarının veya moleküllerinin diğer elementlerle birleştirerek küçük hacimde büyuk miktarda hidrojenin saklanması

Bu teknoloji çok umut verici olmakla birlikte kapasite, maliyet, yaşam döngüsü etkileri ve hidrojenin serbest bırakılması ile ilgili problemlerin üstesinden gelmek için daha fazla araştırmaya ihtiyac vardır


Hidrojenin taşıtlar için alternatif yakıt

olarak düşünülmesinden dolayı bilim

adamları araştırmlarını taşıtlarda

depolama üzerinde yoğunlaştırmıştır

Bilim adamları performans ve maliyet

açısından benzin yakıt depolama

sistemlerine rakip olabilecek bir teknoloji

geliştirmeye çalışmaktadır


Mevcut depolama teknolojisini kullanarak

500 km sürüş menzili sağlamak için

gerekli olan depo mevcut bagaj ebatlarını

büyütmektedir

Büyük depo araba toplam ağırlığını

arttırdığından yakıt ekonomisini

azaltmaktadır

Yakıt Pili Teknolojisı

Nerelerde Kullanılabilir?

Ulaşım - Taşımacılık

Elektrik Santralleri

Telekominikasyon

Mikro Güç



Ulaşım Bütün büyük otomobil üreticileri

yakıt pilli otomobilleri piyasaya sürmek için çalışmaktadır

Otomobil üreticileri ve uzmanlar yakıt pilli araçların 2020 yılına kadar piyasaya sürüleceğini tahmin etmektedir

50 yakıt pilli otobüs hali hazırda Kuzey ve Güney Amerika, Avrupa, Asya ve Avustralya'da kullanılmaktadır

Tren uçak, tekne, scooter, forklift ve hatta bisiklet yakıt hücresi teknolojisinden yararlanmaktadır



Elektrik Santralleri

Telekom

Mikro Güç

Yakıt Pili Teknolojisinin

Faydaları

Güvenlik

Güvenilirlik

Verimlilik

Cevreci

Pil Değiştirme / Alternatif

Askeri Uygulamalar


Faydaları

Verimlilik

Enerji üretmek için yakıt yakılmadığından

temel olarak daha verimlidir

Ayrıca yakıt pili ısı ürettiğinden bu ısı enerji

üretiminde kullanılabilir

Buna Kojenerasyon denir


Faydaları

Verimlilik

Benzinli motorlarda benzinin sağladağı kimyasal

enerjinin çevriminde verimlilik %20 den azdır

Yakıt Pilli motorlar çok daha verimlidir . Hidrojen

enerjisinin % 40-60’nı kullanırlar.

Yakıt pilli taşıtlar yakıt tüketimini %50 azaltırlar

Yakıt pilli motorlu taşıtlar içten yanmalı motorlu

taşıtlara göre 3 kat daha fazla verimli dir


Faydaları?

Çevreci

Yakıt pilleri bugün için hava kirliliğini azaltma

ve gelecekte ortadan kaldırma imkanı

sunumaktadır


Faydaları?

Yakıt pilli taşıtların çevreci faydaları

Hidrojen depolanmış yakıt pilli taşıtlar

geleneksel anlamda SIFIR KİRLİLİK

üretmektedir

Yakıt pilli taşıtlarda yan ürün olarak açığa

cıkan yanlızca ısı ve sudur

Yakıt Pili Teknolojisi

Zorlukları

Maliyet

Yakıt pillerinin maliyeti geleneksel

teknolojiler ile rekabet edebilmesi için

azaltılmalıdır

Konvansiyonel içten yanmalı motorların

maliyeti $ 25/kW - $ 35/kW dır yakıt pili

sisteminin rekabetçi olabilmesi için

maliyetinin $ 30/kW $ olmalıdır


Zorlukları

Dayanıklılık ve güvenilirlik Yakıt pili sistemlerinin dayanıklılığı henüz

yeterince sağlanamamıştır

Otomobilde dayanıklılık standardı yaklaşık

150.000 mil dir

Sabit sistemlerde pazar kabulu için gerekli

olan -35 – 40 C derece sıcaklık aralığında

güvenilir olarak 40.000 saat çalışmadır


Zorlukları

Sistem Boyutu

Mevcut yakıt pili sistemlerinin ağırlık ve

büyüklüğü özellikle otomobillerde yaygın,

kullanımı için azaltılmalıdır

Sonuç

Gelecek vaadeden teknoloji

Yakın gelecekte niş pazar için çok uygun

Pazarda yaygın olarak kabul ve kullanımı

hala uzun yıllar uzakta

yakit pili

Documents