Yakıt Pili Nedir ? Nasıl Çalışır ?

Günümüzde gerek artan nüfus gerekse de araçların veya fabrikaların yaydığı karbondioksit atmosferdeki sera gazı oranını arttırmakta ve bunun sonucunda da küresel ısınmanın etkilerini daha fazla hissetmekteyiz. Özellikle otomobil sektöründe küresel ısınmanın etkilerini azaltmaya yönelik umut verici gelişmeler yaşanıyor. Bu gelişmelerin en önemlileri elektrikli ve yakıt pilleriyle çalışan araçlardır. Bu yazımızda ise gelecek teknolojisini şekillendirebilecek bir teknoloji olan yakıt pili konusunu sizler için derledik.

Yakıt pili, genel olarak tanımlanacak olursa yakıtlarda bulunan kimyasal enerjiyi direk olarak elektrik enerjisine dönüştüren ve bu işlem sonucunda da atık ürün olarak su açığa çıkaran hareketli bir parçası bulunmayan bir cihazdır. Yakıt pilleri dönüştürme işlemini belli bir verimle kimyasal tepkimelerle  gerçekleştirdiklerinden dolayı elektrokimyasal ünite olarak da adlandırılabilirler.

Yakıt pilleri, fosil yakıtlar, alternatif enerji kaynakları veya kimyasal ürünler vasıtasıyla elde edilen hidrojeni veya doğrudan hidrojenin direk olarak oksijen ile tepkimesiyle elektrik üretir. Tek bir yakıt pili, 1 V veya daha az gerilim üretir. Bu pillerden daha fazla miktarda elektrik enerjisi elde etmek için piller birbirleriyle seri olarak bağlanmalıdır. Bağlantı şekli ve yakıt pili sayısı, yakıt pillerinin kullanılacağı alana göre değişiklik göstermektedir. Yakıt pili bu özelliği sayesinde laptoplarda (50-100W), konutlarda (1-5kW) ,araçlarda (50-1250 kW) ve elektrik üretim santrallerinde (1-200 MW veya daha fazla) kullanılabilir.

Yakıt Pillerinin Tarihi

1838 yılında Alman kimyager Christian Friedrich Schönbein yakıt pili ile ilgili ilk akademik çalışmasını yapmış ve sonuçlarını da fizik dergilerinde yayınlamıştır. Bir diğer yandan ise Sir William Robert Grove ilk olarak hidrojen yakıt pili kavramını bulmuş ve geliştirmiştir. Francis Bacon ise 1950 yılında Cambridge Üniversitesinde 5 kW gücü olan ilk alkali yakıt pilini tanıtmıştır. Alkali yakıt pillerinin geliştirilmesiyle NASA bu pilleri uzay araçları için güç sağlayıcı sistemlerine entegre etmişlerdir.

1960’lı yılların ilk döneminde, AR-GE çalışmaları, stabil güç uygulamaları ve ulaşım sektöründe kullanılmak üzere çeşitli yakıt pilleri üretilmiştir. 1970 yılına gelindiğinde NASA, uzay çalışmaları için bataryalar gibi herhangi bir harici güç ünitesine gerek olmadan, enerji sağlayan 12 kW gücünde alkali yakıt pili üretmiştir. Yakıt pilleri üzerinde yapılan araştırmalar çok büyük bütçeler gerektirdiğinden çoğu ülke bu teknolojiyi başlangıçta çok fazla önemsememiştir.  Ancak 50 yıl sonra bu teknoloji önemli bir hale gelmiştir.

Yakıt Pilinin Yapısı

Yakıt pilleri genel olarak üç temel işlem birimden oluşmaktadır. Bunlar;

1.  Yakıt İşleme Birimi
2. Güç Üretim Birimi
3. Güç Dönüştürme Birimi

Yakıt pili klasik piller gibi temelde; anot,katot ve elektrolitten oluşur. İki elektrot arasında elektrolit vardır. Anot elektroduna yakıt elektrodu, katot elektrodu da oksijen elektrodu olarak isimlendirilebilir.  Kullanılan elektrolide göre yakıt pillerinin çeşidi ve çalışma sıcaklığı aralığı değişiklik gösterebilir.

Yakıt pillerinde aşağıdaki eletrolitler kullanılabilir;

• Fosforik Asitli
• Erimiş Karbonat
• Katı Oksit
• Proton Geçişli Membran (PEM)

Elektrolit fosforik asit olursa 190  ⁰C , erimiş karbonatta 650 ⁰C, seramik olursa 1000 ⁰C ve polimer katı olursa da 80 ⁰C’de çalışırlar.

Yakıt pillerini oluştururken elektrolit seçimi çok önemlidir. Bunun için de dikkat edilmesi gereken bazı hususlar vardır. Bunlardan en önemlileri yakıt pillerinin çalışma sıcaklıklarıyla basıncıdır. Yakıt pillerinin tek başlarına ürettikleri elektrik çok düşüktür. Bir yakıt pilinin ürettiği ortalama doğru akım voltajı 0,5 ile 0,9 V arasındadır. Bu yüzden birden fazla yakıt pili birbirleriyle bağlanarak bir modül oluşturulur.

Yakıt Pilinin Çalışma Prensibi

Yakıt pilleri temel olarak yakıtı olan hidrojen hava ile birleşip tepkimeye girerler bu reaksiyon sonucunda ise elektrik,ısı ve saf su üretilmiş olur. Yakıt pilinin anot tarafından hidrojen yakıtı, katot tarafından ise hava verilir. Hidrojen anot tarafında pozitif ve negatif iyonlarına ayrışır. Pozitif iyonlar , sadece pozitif yüklü iyonların geçişine izin veren elektrolitden geçerek katot ucuna ulaşır. Anot ucunda kalan elektronlar ise pozitif yüklü iyonlarla tekrar birleşme eğiliminde olduğu için bunlarda harici bir devre ile katot tarafına akarlar. Harici devredeki bu elektron akışıyla elektrik üretilmiş olur. Katot tarafına geçen elektronlar burada pozitif iyonlar ve hava ile birleşerek saf su açığa çıkarırlar. Bu işlemin tepkimeleri aşağıdaki gibidir.

Anot tepkimesi: H₂ –> 2H⁺+2e^–

Katot tepkimesi:  ½ O₂+2H⁺+2e^––> H₂O

Toplam Tepkime: H₂+1/2O₂–>H₂O

Yakıt pili ile elektrik üretimini aşamalı olarak anlatırsak;

1. aşama : Yakıt hücresine hidrojen eklenir
2. aşama: Yakıt pili içerisine giren hidrojen, anot yüzeyinde bulunan katalizörler ile iyonlarına ayrıştırılır ve elektron geçişini engeller. Sadece protonlar elektrottan geçer ve katota doğru akar.
3. aşama: Elektrolitten geçemeyen bu elektronlar da iletken bir dış devre vasıtasıyla katota geçiş yaparak bir elektrik akımı  meydana getirirler.
4. aşama: Katottan geçen protonlar dış devreden gelen elektronlarla birleşip hidrojeni tekrar oluştururlar.
5. aşama: Hidrojende katot tarafından verilen hava ile birleşerek su oluşur ve egzoz olarak su dış ortama aktarılır.

Yakıt Pilinin Çeşitleri

Yakıt pillerinin kullanılan yakıtın türüne göre, elektrot ve elektrolitin cinsine göre ve aktif çalışma sıcaklığına göre sınıflandırılırlar. Aşağıdaki tabloda yakıt pili çeşitlerinin çalışma sıcaklıklarıyla kullanılan elektrolit türleri belirtilmiştir.

Aşağıdaki tabloda da yakıt pillerinin ideal işletme sıcaklıkları, verim değerleri, bir hücrenin cm2 alanı başına düşen güç miktarını ve bu yakıt pillerinin kullanım alanları verilmiştir.

Yakıt pilleri, yapısal olarak bataryalara benzese de işleyiş bakımından büyük farklılıklar vardır. Gerek portatifliği gerekse de verimi bakımından günümüzde çoğu sektörde yerini almış gelecekte ise çok daha ileri bir seviyeye gelecek olan bu teknoloji üzerine ülkemizinde daha çok kaynak ayırıp üretim adına AR-GE çalışmalarına hız vermesi gerekmektedir.