Yakıt Pili Türleri ve Yakıt Pilinin Temel Çalışma Süreçleri

Günümüzde çok çeşitli yakıt pilleri farklı amaçlar için üretilmektedir. Beslenen yakıt ve oksitleyici bileşimi türüne göre ya da beslenen yakıt pilinin, pil dışında "kullanışlı yakıta" dönüştürülmesi ya da bu sürecin pilin içinde olmasına göre yakıt pillerini sınıflandırmak olasıdır. Bunların dışında, çalışma sıcaklıkları veya kullanılan elektrolitlerin farklılığı da bu ayrımın yapılmasında kullanılan değişkenlerdendir. Enerji alanının yöneldiği ve yakın geleceğe damgasını vuracak olan yakıt pilleri daha yakından tanımak önemlidir. Yazının devamında temel yakıt pili türleri ve yakıt pilinin çalışması hakkında yer alan temel süreçleri anlatacağız.

Yakıt Pili Türleri

Kullanılan elektrolitlerin farklılığına bağlı olarak temelde 5 farklı yakıt pili vardır:

1. Fosforik Asit Yakıt Pili (FAYP)
2. Polimer Elektrolit Membran Yakıt Pili (PEMYP)
3. Alkali Yakıt Pili (AYP)
4. Eriyik Karbonat Yakıt Pili (EKYP)
5. Katı Oksit Yakıt Pili (KOYP)

Yukarıda listelenen yakıt pilleri aynı elektrokimyasal prensiplere dayanarak çalışmasına karşın farklı sıcaklık aralıklarında, farklı maddeler kullanarak çalışırlar. Çizelge 1'de de belirtildiği gibi, yakıt pili türüne bağlı olarak bu yakıt pillerinin performansları ve yakıt toleransları farklılık göstermektedir.

Çizelge 1. Temel Yakıt Pili Türlerinin Özellikleri:

Uygulama alanları bakımından düşündüğümüzde, Polimer Elektrolit Membran Yakıt Pili (PEMYP) ve Katı Oksit Yakıt Pili (KOYP) daha çok araştırılmaktadır. PEM yakıt pillerinde elektrolit olarak ince polimer yapılı zarlar (Membranlar) kullanılmaktadır. Plastik görünümlü naylona benzer bu zarlar, iyonik taşınan yük olan protonların taşınmasını sağlarlar. H₂-O₂ PEM yakıt pillerinde aşağıdaki yarı elektrokimyasal tepkimeler gerçekleşmektedir:

H₂ ↔2H⁺ +2e^-     (1)

½ O₂ +2H⁺ +2e^- ↔H₂O     (2)

Düşük sıcaklıkta çalışmaları ve yüksek güç yoğunluğuna sahip olmalarından ötürü, PEM yakıt pilleri birçok uygulama için, ilgi çekici elektrik üreten sistemlerdir. Bu yakıt pillerinden farklı olarak Katı Oksit Yakıt Pilleri'nde (KOYP) elektrolit olarak ince seramik Membranlar kullanılmaktadır. Bu pillerin elektrolitlerinde taşınan iyonik yük oksijen iyonlarıdır (O^2-). H₂-O₂ Katı Oksit Yakıt Pilleri'nde aşağıdaki yarı elektrokimyasal tepkimeler olmaktadır:

H₂ + O^2- ↔H₂O +2e^-     (3)

½ O₂ +2e^- ↔O^2-     (4)

Katı Oksit Yakıt Pilleri'nin (KOYP) düzgün çalışabilmesi için yüksek sıcaklıklarda (>600 ^oC) çalıştırılması gerekmektedir. Çeşitli yakıtlarla çalışabilmelerinden ve yüksek verimliliğe sahip olduklarından ötürü, katı oksit yakıt pilleri daha çok yerleşik uygulamalarda kullanılmaktadır.

Taşınan iyonik yükün değişmesiyle yakıt pillerinin reaksiyon kimyası da çarpıcı biçimde değişmektedir. PEM yakıt pillerinde, protonların (H⁺) hareketiyle yarı tepkimeler gerçekleşir ve katotta ürün olarak su üretilir. Buna karşılık, katı oksit yakıt pillerinde oksijen iyonlarının (O^2-) hareketiyle gerçekleşen tepkimeler sonucu anotta ürün olarak su üretilmektedir. Çizelge 1'de de görüldüğü gibi diğer yakıt pillerinde OH^- ve CO^3- elektrolitte taşıyıcı iyonik yük işlevine sahiptir ve bu farklılık yakıt pillerinin kendine özgü avantaj ve dezavantajlara dolayısıyla da farklı reaksiyon kimyasına sahip olmalarını sağlayacaktır.

Yakıt Pilleri Nasıl Çalışır?

Yakıt pilinde üretilen akım (elektrik) tepkimeye girenlerin, elektrot ve elektrolitin buluştuğu reaksiyon alanıyla orantılıdır. Diğer bir deyişle, yakıt pilinin aktif alanını iki katına çıkardığımızda üretilen akım da yaklaşık olarak iki katına çıkacaktır.

Bu sezgisel yaklaşımın anlaşılabilmesi için, elektriğin elektrokimyasal yollardan üretilmesi sırasında gerçekleşen temel ilkeleri daha iyi anlamalıyız. Yakıt pilleri birincil enerji kaynaklarını (yakıt) elektron akışına dönüştürerek elektrik üreten sistemlerdir. Bu dönüşüm sürecinde enerji aktarım aşaması olmaktadır ki bu da beslenen yakıtın elektrokimyasal tepkimesi sonucu oluşan elektronların akışıyla sağlanmaktadır. Bu aktarım sonlu bir hıza sahiptir ve bir arakesitte ya da reaksiyon yüzeyinde olmak zorundadır. Böylece, üretilen elektrik miktarı reaksiyon yüzey alanı ya da ara yüzey alanı ile orantılıdır. Yakıt pilinde daha büyük yüzey alanları daha çok akım üretmektedir. Yüzey hacim oranını arttırarak daha fazla reaksiyon alanı sağlamak için genellikle yakıt pilleri ince ve düzlemsel olarak üretilmektedir (Şekil 1).

Şekil 1. Yakıt pilinin anot-elektrolit-katot yapısının basitleştirilmiş düzlemsel gösterimi

İyi gaz geçişi sağlamak ve reaksiyon yüzey alanı daha çok arttırmak için elektrotlar çok gözenekli yapılardır. Yakıt pilinin bir tarafından yakıt beslenirken (anot elektrot) diğer yüzeyden oksitleyici (katot elektrot) sisteme verilmektedir. Anot ve katotta gerçekleşen iki elektrokimyasal yarı tepkimenin yalıtılmış biçimde olması ve yakıt ve oksitleyicinin birbirine karışmaması için elektrotlar arasına ince elektrolit yerleştirilmektedir.

Aşağıdaki Şekil 2'de yakıt pilinin kesit alanının ayrıntılı çizimi verilmiştir. Çizimde bazı temel süreçler gösterilmiştir. Sırasıyla bu süreçleri şöyle özetleyebiliriz:

1. Yakıt pilinde reaktantların (tepkimeye giren maddeler) aktarımı
2. Elektrokimyasal reaksiyon
3. Elektrolit aracılığıyla iyonik iletim ve dış devre aracılığıyla elektronik iletim
4. Yakıt pilinden ürünlerin aktarılması (uzaklaştırılması) süreci

Şekil 2. Elektriğin elektrokimyasal üretiminde yer alan temel aşamaları gösteren yakıt pili kesiti:
(1) reaktant aktarımı; (2) elektrokimyasal reaksiyon; (3) iyonik ve elektronik iletim; (4) ürün aktarımı

Aşama 1: Reaktant Aktarımı. Yakıt pilinin elektrik üretebilmesi için sürekli yakıt ve oksitleyici yakıt pili sistemine beslenmelidir. Bu oldukça basit gözüken süreç çok karmaşık olabilmektedir. Yakıt pilinden yüksek akım çekildiğinde çok fazla yakıt ve oksitleyiciye gereksinim olmaktadır. Reaktantlar yakıt piline yeterince hızlı beslenemezse sistem yakıt ve oksitleyici açlığı içinde olacaktır. Reaktantların verimli bir şekilde aktarılması akış kanalı yapısıyla ve gözenekli elektrotlar aracılığıyla sağlanmaktadır. Akış kanal yapısı pek çok kanal ya da oluk aracılığıyla gazları yakıt pili yüzeyine dağılımlı bir şekilde taşınmasını sağlar. Yakıt pili performansı kanal yapısı, biçimi ve sayısından dikkate değer oranda etkilenmektedir. Akış yapısı ve elektrotlarda kullanılan malzemeler ve özellikleri oldukça önemlidir.

Aşama 2: Elektrokimyasal Reaksiyon. Reaktantlar elektrotlara taşındığında elektrokimyasal reaksiyon olmaktadır.  Yakıt pilinde üretilen akım bu yarı elektrokimyasal reaksiyonların hızıyla doğrudan ilintilidir. Hızlı reaksiyonlar sonucu yakıt pilinden daha çok akım elde edilebilmektedir ve tersini de düşünürsek yavaş reaksiyon olursa yakıt pilinden elde edilen akım da düşük olacaktır. Amaç elektrik üretimi olduğuna göre yüksek akımlar elde etmek yakıt pilindeki sonul hedeflerden biridir. Bu nedenle, elektrokimyasal reaksiyonları hızlandırmak ve verimini arttırmak için katalizörler kullanılmaktadır. Doğru katalizör seçimi ve reaksiyon bölgesinin tasarımı yakıt pili performansını kritik biçimde etkilemektedir. Genellikle, elektrokimyasal reaksiyonların kinetiği yakıt pili performans sınırlamasında en önemli etken olarak nitelendirilmektedir.

Aşama 3: İyonik ve Elektronik İletim. 2. Aşamada gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar iyon ve elektronları ya üretmektedir ya da tüketmektedir. Bir elektrotta üretilen iyonlar diğer elektrotta tüketilmektedir. Bu süreç elektronlar için de geçerlidir. Yük dengesini sağlayabilmek için iyonlar ve elektronlar üretildikleri yerden tüketildikleri yere aktarılmak zorundadır. Bu süreç elektronlar için göreli olarak kolaydır. Elektriksel olarak iletken bir patika olduğu sürece elektronlar bir elektrottan diğerine akabileceklerdir. Şekil 2. de 3 no'lu süreç olarak gösterilen tel aracılığıyla elektronlar bir elektrottan diğerine akabilmektedir. İyonlar için bu aktarım süreci daha zordur. Bunun sebebi, temel olarak iyonların büyük ve kütlece elektronlardan daha büyük olmalarındandır. İyonların aktarımının sağlanması için elektrolit kullanılmaktadır. Pek çok elektrolitte iyonların "hoplama mekanizması" şeklinde transfer edildiği düşünülmektedir. Elektron transferi ile karşılaştırıldığında bu süreç oldukça verimsizdir. Bu nedenle, yakıt pili performansını düşüren iyonik transferden kaynaklı önemli direnç kaybı olabilmektedir.  Bu etki ile savaşabilmek için iyonik iletim uzaklığının kısa olabilmesi adına elektrolitler olabildiğince ince yapılmaktadır.

Aşama 4: Ürün Aktarımı. Oluşan elektriğin yanı sıra bütün yakıt pili reaksiyonları en azından bir ürün oluşturacaktır. Bunlardan H₂-O₂ yakıt pilleri ürün olarak su oluşturmaktadır. Hidrokarbon yakıt pilleri genelde su ve karbondioksit üretmektedir. Bu ürünler yakıt pilinden etkili bir biçimde uzaklaştırılamazsa zamanla birikip yakıt pilinin tıkanması yol açarak yeni yakıt ve oksitleyicinin reaksiyona girmesine engel olurlar. Neyse ki, reaktantların aktarım süreci aynı zamanda ürünlerin transferine de yardımcı olup süreci kolaylaştırmaktadır. Ama ne var ki, PEM yakıt pillerinde suyun tüm yakıt pilindeki transferi yakıt pili performansı açısından oldukça önemlidir. Yakıt pillerinde reaktantların ve ürünlerin transferi gibi süreçler kütle aktarımı, difüzyon ve akışkanlar mekaniği gibi alanların temel ilkeleri ile açıklanmaktadır.

Bir başka yazıda yakıt pili performansı, yakıt pillerinin modellenmesi gibi konuları ele alacağız. Bağımsız ve kendinden yapılanan bir ülke ve gelecek için teknolojik üretkenliğimizi ortaya koymalıyız.  Enerji alanında önemli bir yere sahip yakıt pillerinden başlamak iyi bir seçenek. Sonraları bu sistemlerin güneş ve rüzgâr ile ve hatta biyoyakıtlarla nasıl birlikte çalışabileceğini inceleyeceğiz.

Berker Fıçıcılar
Yakıt Pili Araştırma Merkezi
ODTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü
12 Mayıs 2008

Arama önerileri: yakıt pili, yakıt pili süreci, fuel cell,

© 2000-2008
ilker Fıçıcılar
F.U.E.L
Bilim
www . Bilim Bilmek . com