Yakıt Pili Nedir

Yakıt pillerini fabrika gibi düşünebilirsiniz. Girdi olarak yakıt kullanıp, çıktı olarak elektrik üreten sistemlerdir. Tıpkı bir fabrika gibi ham madde (yakıt) sağlandığı sürece yakıt pilleri ürün (elektrik) üretecektir. Aslında bu durum, piller ve yakıt pilleri arasındaki temel farklılıktır. Her iki pil de elektrokimya prensiplerine göre çalışmasına karşın yakıt pilleri elektrik üretirken tüketilmezler. Yakıt pilleri, diğer bir deyişle, yakıtta depolanan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir.

Bu şekilde bakıldığında, yanmalı motorlar da kimyasal fabrikası olarak düşünülebilir. İçten yanmalı motorlar da yakıtta depolanan kimyasal enerjiyi faydalı mekanik enerjiye veya elektrik enerjisine çevirirler. O halde yakıt pilleri ile yanmalı motorlar arasında ne fark vardır? Bildiğimiz yanmalı motorlarda yakıt yanar ve ısı açığa çıkar. Örneğin en basit örnek olarak hidrojenin yanmasını düşünelim:

                H₂ + ½ O₂ -> H₂O                                   (1)

Moleküler düzeyde bakıldığında hidrojen molekülleri ve oksijen moleküllerinin çarpışması sonucu reaksiyon olur. Hidrojen molekülleri oksitlenerek su üretirler ve ısı açığa çıkar. Atom seviyesinde baktığımızda ise, pikosaniye seviyelerinde hidrojen-hidrojen bağları ve oksijen-oksijen bağları kopup hidrojen-oksijen bağları oluşur. Bu bağların kopması ve yeni bağların oluşması moleküllerin arasındaki elektron transferiyle olmaktadır.  Bu tepkimedeki ürün olan suyun bağ konfigürasyon enerjisi girdi olan hidrojen ve oksijen bağ konfigürasyon enerjilerinden daha düşüktür. Bu aradaki enerji farkı ısı olarak açığa çıkar. Elektrik üretebilmek için bu açığa çıkan ısı mekanik enerjiye dönüştürülmelidir ve daha sonra da  mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Tüm bu aşamalardan geçerken süreçler karmaşık ve verimsizdir.

Yukarıda anlattığımız tepkimeye (1) alternatif bir çözüm düşünelim: Kimyasal reaksiyondan doğrudan elektrik üretebildiğimiz, elektronların yüksek enerjili reaktant bağlarından düşük enerjili ürün bağlarına hareket ettiğini varsayın. Gerçekte, bu tam olarak da yakıt pillerinde olan süreçtir. Esas soru atomik düzeyde ve pikosaniye süresince elektronların tekrar düzenlenmesi nasıl sağlanacaktır? Yanıt oldukça basittir, reaksiyona girdi olan hidrojen ve oksijeni uzamsal olarak ayırdığımızda bağların tekrar oluşması için gerekli düzenleme için gerekli olan elektron aktarımı oldukça genişletilmiş bir boyut skalasında gerçekleşir. Bu sayede, elektronlar yakıttan (hidrojen) oksitleyiciye (oksijen) giderken elektrik akımı üretmek için kullanılır.

BASİT BİR YAKIT PİLİ

Yakıt pilinde hidrojen yanma tepkimesi iki elektrokimyasal yarı tepkimeye bölünür:

 H₂ ↔2H⁺ +2e^-                                                                          (2)

½ O₂ +2H⁺ +2e^- ↔H₂O                                  (3)

Bu reaksiyonları bir sistem içinde ayırarak oluşturursanız, yakıttan oluşan elektron akışını dış devre aracılığıyla oksijen tarafına akmasını sağlarsınız ve bu sırada elektrik akımı üreterek iş yaptırabilirsiniz. Örneğin bu elektronların aktığı dış devre bağlantısına ampül yerleştirip yakabilirsiniz.

Reaksiyonların ayrılması için elektrolit kullanılmaktadır. Elektrolitler  iyon (yüklü atomlar) akışına izin veren ama elektron akışının mümkün olmadığı maddelerdir. En basit şekliyle, yakıt pilinde iki elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için 2 elektrot ve bu elektrotları ayıran bir elektrolit gereklidir.

Yukarıdaki şekilde oldukça basit bir H₂-O₂ yakıt pili gösterilmektedir. Bu yakıt pili sülfürik asitin (sulu asit çözeltisi elektrolit görevi görür) içine daldırılmış iki tane platin elektrot içermektedir. Sol platin elektrota aşağıdan hidrojen gazı beslenmektedir, gaz elektrot yüzeyinde yukarıda verilen yarı elektrokimyasal tepkimelerden ilkine göre (2) proton (H⁺) ve elektronlarına (e^-) ayrılır. Protonlar elektrolit (sülfürik asit) üzerinden akabilmektedir ama elektronlar buradan geçemezler. Sülfürik asiti protonlardan (H⁺) oluşan bir deniz gibi düşünebiliriz. Elektronların izlediği yol iki elektrodu birbirine bağlayan teldir. Elektronlar sol elektrottan sağdaki elektrota doğru akacaktır. Akımın tanımı gereği oluşan akım elektron akış yönüne ters yönde olacaktır. Elektronlar sağ elektroda ulaştığında protonlar ve beslenen oksijenle birleşerek yukarıda belirtilen ikinci elektrokimyasal tepkimeye göre (3) ürün olan suyu oluşturacaklardır. Eğer elektronların izlediği yola bir yük (örneğin bir ampül) bağlanırsa elektronlar yüke güç sağlayacaklardır ve bu sayede ampülümüz yanar. Evet, yakıt pilimiz elektrik üretiyor! 1839 yılında William Grove tarafından üretilen ilk yakıt pili burada anlatılan yakıt piliyle hemen hemen aynıdır.

YAKIT PİLLERİNİN AVANTAJLARI

Yakıt pilleri yakıt sağlandığı sürece elektrik üretebilen fabrika gibi olduğundan yanmalı motorlarla ortak bazı özelliklere sahiptirler. Bunun yanı sıra, yakıt pilleri elektrokimya prensiplerine göre elektrokimyasal enerji üreten cihazlardır ve bu özellikler bakımından bildiğimiz standart pillerle bazı ortak özellikleri vardır. Diyebiliriz ki, yakıt pilleri yanmalı motorların ve pillerinin sahip olduğu avantajların hemen hemen hepsine sahiptir. 

Yakıt pilleri doğrudan kimyasal enerjiyi elektriğe dönüştürdükleri için enerji bakımından yanmalı motorlara göre oldukça verimlidir. Yakıt pilleri mekanik olarak idealdir ve tüm yapı katı parçalardan oluşabilir yani hareketli parça olmaksızın üretilebilir. Bu sayede güvenilir ve uzun süre dayanabilen yakıt pili sistemleri üretilebilmesini sağlar. Hareketsiz parçalardan oluşması aynı zamanda yakıt pillerinin sessiz çalıştığı anlamına gelmektedir ki bu da çok önemli bir özelliktir. Bunun yanı sıra No_x, So_x gibi zararlı emisyonlar ya da parçacık emisyonları hemen hemen yoktur.

Pillerden farklı olarak, yakıt pillerinde güç (yakıt pili boyutuna göre belirlenir) ve kapasiteyi (yakıt deposu büyüklüğüne göre belirlenir) kolaylıkla ayarlamak mümkündür. Pillerde güç kapasite ayarlaması daha zordur. Pilleri daha büyük boyutlarda üretmek daha zor olmasına karşın yakıt pillerini 1W (örneğin cep telefonları için) gücünden MW (örneğin yüksek kapasiteli güç santralleri) gücüne kadar tasarlayabilmek olasıdır. Yakıt pilleri, pillere göre potansiyel olarak daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve tekrar yakıt sağladığınız sürece kolaylıkla tekrar şarj edebilmeniz mümkündür.  Standart pillerin şarjlı olmayanlarını atmanız gerekir ya da şarjlı olanlarını uzun süre şarj etmeniz gerekir ki bu da zaman bakımından değerlendirildiğinde uzun ve sürekliliği bozan bir süreçtir.

YAKIT PİLLERİNİN DEZAVANTAJLARI

Yakıt pillerinin ilgi çeken avantajlarının yanı sıra yakıt pilleri bazı önemli dezavantajlara sahiptir. Yakıt pillerinin yaygınlaşması ve hemen uygulamaya alınmasındaki en önemli engel üretim maliyetidir.  Bu maliyetlerden ötürü yalnızca birkaç özelleşmiş uygulama (örneğin uzay mekiği sistemlerinde) alanında ekonomik olarak diğer elektrik üreten sistemlerle yarışabilir durumdadır.  Yakıt pillerinde güç yoğunluğu diğer önemli bir kısıtlamadır. Güç yoğunluğu yakıt pilinin birim hacimde ne kadar güç üreteceğini (hacimsel güç yoğunluğu) ya da birim kütlede ne kadar güç üreteceğini (kütlesel güç yoğunluğu) göstermektedir. Yakıt pillerinin güç yoğunluğu son yıllarda oldukça arttırılabilmiştir ama taşınabilir ve otomotiv uygulama alanlarında yarışa dahil olabilmesi için güç yoğunluğunun daha da arttırılması temel hedeflerden biridir. Bir kıyaslama yapmak gerekirse hacimsel güç yoğunluğu bakımından yanmalı motorlar ve piller yakıt pillerine göre olduça öndedir ama kütlesel güç yoğunluğuna göre karşılaştırıldığında yakıt pilleri ve diğer sistemler arasında fark oldukça azdır.

Yakıt pillerinde yakıt bulunabilirliği ve yakıtın depolanması diğer bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Yakıt pillerinde en iyi performans hidrojen yakıtıyla elde edilir ve bu yakıt çok yaygın olarak mevcut değildir, depolaması zordur ve düşük hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptir. Alternatif yakıtları (benzin, metanol, formik asit, vd.) doğurudan kullanmak daha zordur ve genellikle reforming prosesi (alternatif yakıtları yakıt piline beslenebilir yakıtlara dönüştüren reaktif sistemler) ile yakıt pili sistemi desteklenmelidir. Bu durumlarda yakıt pili performansları düşebilir ve ekstra ekipmanlara olan ihtiyaç artacaktır. Benzin enerji yoğunluğu bakımından önemli bir yakıt olmasına karşın yakıt pili kullanımına çok uygun bir yakıt değildir. Bunların yanı sıra, çalışma koşullarındaki sıcaklıklar, çevresel kirlilikle ilgili konular ve çalıştırma-durdurma döngülerinde dayanıklılık gibi konular yakıt pillerinde çözülmesi gereken diğer bazı konulardır. Bu konuları çözmek kolay olmayacaktır ve özellikle maliyet ve yakıt üretimi ve yakıt depolaması konuları çözülemezse yakıt pili uygulamaları sınırlı kalacaktır.

Her yeni teknoloji yarışa dahil olduğunda bu süreçlerden geçmektedir. Tartışmasız üstün özelliklere sahip olan yakıt pilleri bu yarışı kazanacaktır. Her geçen yıl bu yarış daha çekişmeli bir hal almaktadır. Artan petrol fiyatlarının da yakıt pillerinin yaygınlaşmasına dolaylı yoldan katkıda bulunacağı tartışma götürmez.

Berker Fıçıcılar
Yakıt Pili Araştırma Merkezi
ODTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü
22 Nisan 2008

Arama önerileri: yakıt pili, fuel cell, enerji, yeni teknolojiler, enerji krizi, hidrojen, membran, pem, pemfc, metanol, yakıt pilli araba,

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