Yakacak Pili Çeşitleri
Elektrolit tatbik tiplerine göre yakıt pilleri birkaç çeşitlilik ’e ayrılabilir
1Alkali Yakıt Pili (AFC)
Bu yakıt pilinde elektrolit olarak KOH kullanılırAlkali elektrolitlerde oksijen indirgeme kinetiği asit elektrolitlerden daha hızlıdır ve cet metal olmayan elektro katalizörlerin kullanılabilmesi AFC ’yi hesaplı yapmaktadırAncak elektrolitin CO2gibi asidik safsızlıkların ortamda bulunmasına izin vermemesi emisyon oranından dolayı sorun yaratır
Alkali sistemler oda sıcaklığında çok iyi çalışır ve öteki tüm yakıt sistemleri arasında en yüksek voltaj verimine sahiptirlerAyrıca birçok araç gereç ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC ’ler uzun işletim ömrüne sahiptir
AFC ’ler güvenilir sistemlerdir ve minik hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirlerGüç yoğunlukları 100200 mWcm² arasında değişmektedirMaliyetler ise ulaştırma sektörü için 50100 $kW değerlerine ulaştırılmaya çalışılmaktadır
Alkali Yakacak Pilinin Şematik Gösterimi
2Fosforik Asit Yakacak Pili(PAFC)
Elektrolitik olarak fosforik asitin kullanıldığı bu yakacak pilinde bağıl olarak temiz yakıtlar (doğalgaz,LPG gibi) veya gazlaştırıcıdan alınan arınmış kömür gazı kullanılırPazara en yakın iki başvuru üstünde durulmaktadırBunlar baskı santralleri ve kojenarasyon üniteleridir PAFC ’inde soy metal elektro katalizör göstermek gerekmektedirBu dezavantajına karşın fosforik asit bir elektrolit olarak mükemmel ısıl,kimyasal ve elektrokimyasal istikrar gibi avantajlar sağlamaktadırAyrıca PAFC ’ler atık ısıdan yararlanabilme açısından fazla avantajlıdır
PAFC sistemleri yeryüzündeki uygulamalarda en çok gelişme gösteren sistemlerdir Çoğunlukla apartmanlar,alışveriş merkezleri gibi yerlerde elektrik üretmek amacıyla kullanılmaktadırlarPAFC ’ler 250 W ’dan 200 kW ’a dek,24 V ’luk elektrik jenaratörü şeklinde ticari olarak piyasaya sunulma aşamasındadırYakıt olarak doğalgaz kullanan 200 kW ’lık bir PAFC sisteminde yatırım maliyeti 287 $kW ’dır
PAFC ’ler değişmez bir çıkış seviyesinde en iyi verimde çalışabilmektedirlerHibrit bir sistem ile ivmelenmenin gerektirdiği yüksek kuvvet gereksiniminin diğer araçlarla karşılanması durumunda daha iyi performans göstermektedirPAFC ’lerin en güzel uygulamaları ağır tartma taşıtları yada lokomotiflerde olacaktır
Fosforik Asit Yakacak Pili Şematik Gösterimi
3 Katı Oksitli Yakacak Pilleri (SOFC)
SOFC ’ler katı haldeki yakıt pilleridirHücre malzemelerinin çoğu özel seramik ve nikelden oluşmaktadırÇalışma sıcaklığı 1000 ºC civarındadırYakacak olarak CO ile birleşmiş halde hidrojen kullanılmaktadır ve tepkime ürünü olarak ta su buharı ve CO2 çıkmaktadır
SOFC ’ler kojenerasyon ünitesi olarak hem elektrik ayrıca de ısının kullanılabileceği yerlerdir1000 ºC zeka elde edilecek buhar ile bir buhar türbini çevrimini kombine olarak birleştirebilirBöylece toplam sistem verimi %5055 mertebesine ulaşabilmektedirŞu anda hesaplanan yatırım maliyetleri 1500 $kW mertebesindedir
Katı Oksitli Yakacak Pili Şematik Gösterimi
4Proton Metamorfoz Membranlı Yakacak Pili (PEMFC)
PEMFC ’ler 1960 ’ların başında General Electric tarafından buluş edilmiştirKatı polimer elektrolitli yakıt hücresi olarak ta adlandırılırBu tip yakacak 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 oluşurBuradaki elektrolit pozitif kutup ile katot aralarında bir gaz sütunu oluşturarak anottan katoda içten hidrojen iyonlarının taşınmasını sağlarPolimer elektrolite gaz elektrotlarda bulunan gaz difüzyon kanalcıklarından oluşurAynı zamanda bu kanallar elektrik akımını toplama görevini de üstlenirPEM ’lerin egzersiz sıcaklığı 8090 ºC gibi fazla düşük sıcaklıklarda ve egzersiz basınçları da 18 atm basınç arasındadırBu tip yakıt hücreleri emin bir nem oranında hidrojen ve oksijen ile çalışabilmektedir
PEM ’ler 350 mWcm² gibi yüksek bir baskı yoğunluğuna sahiptir ve hemen ticari olarak 100500 W kuvvet aralığında elde edilebilir durumdadırlarYatırım maliyetleri de 500013000 $ arasında değişmektedirMembran ve katalizör maliyetlerindeki düşüş ile ve hızlı üretime geçilmesi durumunda bu maliyetler 1020 kat aşağıya inebilecektir
Yüksek baskı yoğunluğu,çabuk ve tez marş yapabilme ve sıvı zor çıkışına yerinde olması PEM ’lerin ulaşım alanında kullanılabilmesini uygun kılmaktadır
PEM Yakıt Hücresinin Çalışma Şekli
Bir PEM Yığını(Stack)
Bir Membran Yığın İçine Yerleştirilirken
Proton Metamorfoz Membranlı yakacak pili şematik gösterimi
PEM) Yakıt hücresi egzersiz mekanizması suyun elektrolizinin tam tersidir Yakıt
hücresi için tepkime formülü aşağıdaki gibidir
Bu reaksiyon sonucunda elektrik, su ve bir tedarik ısı açığa çıkar Açığa meydana çıkan bu ısı
miktarı evsel veya herhangi bir başvuru için kullanılarak yakacak hücresinden elde edilen
toplam verim arttırılabilir
5Eriyik Karbonatlı Yakıt Pili(MCFC)
MCFC ’ler 600650 ºC sıcaklıkta çalışır ve son dönemlerde geliştirilen ikinci nesil yakacak pillerindendirAnotta CO2 ’ce zengin gaz mahsul ve H2O üretimi sağlanır, CO2 katota giren hava ile karıştırılmak üzere gönderilir
MCFC işletim sıcaklığı yüksek olması sebebiyle kıymetli atık ısı,proses ısısı ve kojenarasyon amaçlı olarak kullanılabilirEn kayda değer avantajları hücreli içindeki kendi atık ısısı desülfürizasyondan geçmiş metanın artı uç odasında hidrojene dönüştürülmesi için doğrudan kullanılabilmektedirMCFC ’ler için hedeflenen yatırım maliyeti 1000 $kW seviyesindedir
Eriyik Karbonatlı Yakacak Pili Şematik Gösterimi
Yakıt Hücrelerinin Karşılaştırılması
Yakıt hücreleri ürettikleri ısı,kullandıkları elektrolit,ürettikleri zorlama gibi verilerle karşılaştırılabilirlerAşağıdaki tabloda yukarıda anlatılan 5 adet yakıt pilinin özellikleri karşılaştırılmıştır
Aşağıdaki grafikte PEM ile SOFC yakacak pillerinin,buhar türbini,seramik gaz türbini ve dizel yakacak ile elektrik üretimi koşullarında karşılaştırılması yapılmıştır
Gelecekteki Elektrik Santrallerinin Verim Oranları
Aşağıdaki tabloda ise 3 farlı yakacak tipine sahip otomobillerin verim oranları karşılaştırmalı olarak verilmiştir
Otto, Diesel ve Yakacak Gözenekli Olan Araçların Verim Karşılaştırması
Elektrolit tatbik tiplerine göre yakıt pilleri birkaç çeşitlilik ’e ayrılabilir
1Alkali Yakıt Pili (AFC)
Bu yakıt pilinde elektrolit olarak KOH kullanılırAlkali elektrolitlerde oksijen indirgeme kinetiği asit elektrolitlerden daha hızlıdır ve cet metal olmayan elektro katalizörlerin kullanılabilmesi AFC ’yi hesaplı yapmaktadırAncak elektrolitin CO2gibi asidik safsızlıkların ortamda bulunmasına izin vermemesi emisyon oranından dolayı sorun yaratır
Alkali sistemler oda sıcaklığında çok iyi çalışır ve öteki tüm yakıt sistemleri arasında en yüksek voltaj verimine sahiptirlerAyrıca birçok araç gereç ile iyi uyum sağlayabildiğinden AFC ’ler uzun işletim ömrüne sahiptir
AFC ’ler güvenilir sistemlerdir ve minik hacimde nispeten yüksek güçler elde edebilmektedirlerGüç yoğunlukları 100200 mWcm² arasında değişmektedirMaliyetler ise ulaştırma sektörü için 50100 $kW değerlerine ulaştırılmaya çalışılmaktadır
Alkali Yakacak Pilinin Şematik Gösterimi
2Fosforik Asit Yakacak Pili(PAFC)
Elektrolitik olarak fosforik asitin kullanıldığı bu yakacak pilinde bağıl olarak temiz yakıtlar (doğalgaz,LPG gibi) veya gazlaştırıcıdan alınan arınmış kömür gazı kullanılırPazara en yakın iki başvuru üstünde durulmaktadırBunlar baskı santralleri ve kojenarasyon üniteleridir PAFC ’inde soy metal elektro katalizör göstermek gerekmektedirBu dezavantajına karşın fosforik asit bir elektrolit olarak mükemmel ısıl,kimyasal ve elektrokimyasal istikrar gibi avantajlar sağlamaktadırAyrıca PAFC ’ler atık ısıdan yararlanabilme açısından fazla avantajlıdır
PAFC sistemleri yeryüzündeki uygulamalarda en çok gelişme gösteren sistemlerdir Çoğunlukla apartmanlar,alışveriş merkezleri gibi yerlerde elektrik üretmek amacıyla kullanılmaktadırlarPAFC ’ler 250 W ’dan 200 kW ’a dek,24 V ’luk elektrik jenaratörü şeklinde ticari olarak piyasaya sunulma aşamasındadırYakıt olarak doğalgaz kullanan 200 kW ’lık bir PAFC sisteminde yatırım maliyeti 287 $kW ’dır
PAFC ’ler değişmez bir çıkış seviyesinde en iyi verimde çalışabilmektedirlerHibrit bir sistem ile ivmelenmenin gerektirdiği yüksek kuvvet gereksiniminin diğer araçlarla karşılanması durumunda daha iyi performans göstermektedirPAFC ’lerin en güzel uygulamaları ağır tartma taşıtları yada lokomotiflerde olacaktır
Fosforik Asit Yakacak Pili Şematik Gösterimi
3 Katı Oksitli Yakacak Pilleri (SOFC)
SOFC ’ler katı haldeki yakıt pilleridirHücre malzemelerinin çoğu özel seramik ve nikelden oluşmaktadırÇalışma sıcaklığı 1000 ºC civarındadırYakacak olarak CO ile birleşmiş halde hidrojen kullanılmaktadır ve tepkime ürünü olarak ta su buharı ve CO2 çıkmaktadır
SOFC ’ler kojenerasyon ünitesi olarak hem elektrik ayrıca de ısının kullanılabileceği yerlerdir1000 ºC zeka elde edilecek buhar ile bir buhar türbini çevrimini kombine olarak birleştirebilirBöylece toplam sistem verimi %5055 mertebesine ulaşabilmektedirŞu anda hesaplanan yatırım maliyetleri 1500 $kW mertebesindedir
Katı Oksitli Yakacak Pili Şematik Gösterimi
4Proton Metamorfoz Membranlı Yakacak Pili (PEMFC)
PEMFC ’ler 1960 ’ların başında General Electric tarafından buluş edilmiştirKatı polimer elektrolitli yakıt hücresi olarak ta adlandırılırBu tip yakacak 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 oluşurBuradaki elektrolit pozitif kutup ile katot aralarında bir gaz sütunu oluşturarak anottan katoda içten hidrojen iyonlarının taşınmasını sağlarPolimer elektrolite gaz elektrotlarda bulunan gaz difüzyon kanalcıklarından oluşurAynı zamanda bu kanallar elektrik akımını toplama görevini de üstlenirPEM ’lerin egzersiz sıcaklığı 8090 ºC gibi fazla düşük sıcaklıklarda ve egzersiz basınçları da 18 atm basınç arasındadırBu tip yakıt hücreleri emin bir nem oranında hidrojen ve oksijen ile çalışabilmektedir
PEM ’ler 350 mWcm² gibi yüksek bir baskı yoğunluğuna sahiptir ve hemen ticari olarak 100500 W kuvvet aralığında elde edilebilir durumdadırlarYatırım maliyetleri de 500013000 $ arasında değişmektedirMembran ve katalizör maliyetlerindeki düşüş ile ve hızlı üretime geçilmesi durumunda bu maliyetler 1020 kat aşağıya inebilecektir
Yüksek baskı yoğunluğu,çabuk ve tez marş yapabilme ve sıvı zor çıkışına yerinde olması PEM ’lerin ulaşım alanında kullanılabilmesini uygun kılmaktadır
PEM Yakıt Hücresinin Çalışma Şekli
Bir PEM Yığını(Stack)
Bir Membran Yığın İçine Yerleştirilirken
Proton Metamorfoz Membranlı yakacak pili şematik gösterimi
PEM) Yakıt hücresi egzersiz mekanizması suyun elektrolizinin tam tersidir Yakıt
hücresi için tepkime formülü aşağıdaki gibidir
Bu reaksiyon sonucunda elektrik, su ve bir tedarik ısı açığa çıkar Açığa meydana çıkan bu ısı
miktarı evsel veya herhangi bir başvuru için kullanılarak yakacak hücresinden elde edilen
toplam verim arttırılabilir
5Eriyik Karbonatlı Yakıt Pili(MCFC)
MCFC ’ler 600650 ºC sıcaklıkta çalışır ve son dönemlerde geliştirilen ikinci nesil yakacak pillerindendirAnotta CO2 ’ce zengin gaz mahsul ve H2O üretimi sağlanır, CO2 katota giren hava ile karıştırılmak üzere gönderilir
MCFC işletim sıcaklığı yüksek olması sebebiyle kıymetli atık ısı,proses ısısı ve kojenarasyon amaçlı olarak kullanılabilirEn kayda değer avantajları hücreli içindeki kendi atık ısısı desülfürizasyondan geçmiş metanın artı uç odasında hidrojene dönüştürülmesi için doğrudan kullanılabilmektedirMCFC ’ler için hedeflenen yatırım maliyeti 1000 $kW seviyesindedir
Eriyik Karbonatlı Yakacak Pili Şematik Gösterimi
Yakıt Hücrelerinin Karşılaştırılması
Yakıt hücreleri ürettikleri ısı,kullandıkları elektrolit,ürettikleri zorlama gibi verilerle karşılaştırılabilirlerAşağıdaki tabloda yukarıda anlatılan 5 adet yakıt pilinin özellikleri karşılaştırılmıştır
Aşağıdaki grafikte PEM ile SOFC yakacak pillerinin,buhar türbini,seramik gaz türbini ve dizel yakacak ile elektrik üretimi koşullarında karşılaştırılması yapılmıştır
Gelecekteki Elektrik Santrallerinin Verim Oranları
Aşağıdaki tabloda ise 3 farlı yakacak tipine sahip otomobillerin verim oranları karşılaştırmalı olarak verilmiştir
Otto, Diesel ve Yakacak Gözenekli Olan Araçların Verim Karşılaştırması