YAKIT PİLLERİ TEKNOLOJİLERİ

1. YAKIT PİLLERİ TEKNOLOJİLERİ İsmail YEŞİLTEPE 2007010605038 Fırat Öncü ŞENER 2006010605022 Kontrol : Yrd. Doç. Dr. Adnan TOPUZ

2. 1. YAKIT PİLİ NEREDEN GELMİŞTİR 2. YAKIT PİLİNİN ÖNEMİ 3. YAKIT PİLİNİN ÇEŞİTLERİ 4. YAKIT PİLİ NASIL ÇALIŞIR 5. YAKIT PİLİNDE NE TÜR YAKITLAR KULLANILABİLİR 6. YAKIT PİLİNİN UYGULAMA ALANLARINI NEDİR 7. YAKIT PİLİNİN MALİYETİ NEDİR

3. 1. YAKIT PİLLERİ NEREDEN GELMİŞTİR İlk yakıt pili 1839’ da Galli bir hakim ve bilim adamı olan sir William Grove tarafından üretildi. 1960’ larda ABD uzay programında geliştirilmiş olup atmosfere sadece saf su bırakan ve patlamalı olmayan bir kimyasal elektriksel enerji çevirimi sağlayan ve hiç bir hareketli parçası olmayan solar enerjiden ucuz ve nükleer güçten daha az riskli olan yakıt pillerini seçene kadar pratik bir batarya türü olarak yakıt pilleri hiç önemsenmedi. Yakıt pilleri “Gemini” ve “Apollo” mekiklerinde kullanılmış olup, şu anda bile uzay istasyonları için elektrik ve su sağlamaktadır.

4. 1889’ da Mond ve Longer oksijen kaynağı olarak havayı, hidrojen kaynağı olarak da endüstriyel kömür gazını kullanarak 1.5 watt güç üreten ve %50 çalışma verimine sahip bir yakıt hücresi geliştirmişlerdir. 1952’ de Bacon ve arkadaşları 5 kW’ lık güç üreten bir yakıt hücresi yapmışlardır. Aynı yılın sonlarında Harry Karl Ihring 20 beygir gücünde bir yakıt hücresiyle çalışan traktör dizayn etmiştir. Bu buluş günümüzdeki modern yakıt hücresiyle çalışan makinelerin başlangıcı olmuştur

5. 1952 Harry Karl Ihring tarafından üretilen ve yakıt hücresiyle çalışan traktör

7. 2. YAKIT PİLİNİN ÖNEMİ Yeni bir bin yıla girerken yakıt pilinin dünya çapında araçların kullanımında inanılmaz şekilde artacağı ve enerji için dünya çapında rağbet göreceği tahmin edilmişdir. Enerji stoklarımızı korumak, çevremizi korumak ve yaşam kalitesini düzeltmek için dünyanın enerji ihtiyaçları için teknolojiden yeterince yararlanmak gereklidir. Arabalar, evler ve enerji santralleri için yeterli çok yönlü bir teknolojiye ihtiyaç vardır. Çevremize verilen zararları tersine döndürmeye yardım edebilecek yeterince temiz bir teknoloji gereklidir. O teknoloji yakıt pilleridir.

8. Yakıt pilleri konvansiyonel sistemlere göre aşağıdaki üstünlüklere sahiptir; • − Enerji üretim verimi oldukça yüksektir, • − Çevresel etkileri düşüktür (Sera emisyonu düşük, sessiz, katı atık içermez), • − Farklı tipte yakıtlarla çalışabilir (doğal gaz, LPG, metanol, neft), • − Atık ısının yeniden kullanım imkanı vardır, • − Modüler yapıdadır, • − Montaj süresi kısadır, • − Çok yüksek miktarda soğutma suyu (deniz suyu gibi) gerektirmez, • − Güvenilir bir sistemdir, • − İşletim karakteristiği uygulamada kolaylık sağlar, • − Geleceğe yönelik olarak gelişme potansiyeli oldukça yüksektir.

9. 3. YAKIT PİLLERİNİN ÇEŞİTLERİ Elektroliti dışında tüm yakıt pillerinin dizaynı neredeyse aynıdır. Kullanılan elektrolit malzeme çeşidine göre 5 çeşit yakıt pili tanımlayabiliriz. 1- Değişken proton mebranlı yakıt pilleri 2- Fosforik asitli yakıt pilleri 3- Alkalin yakıt pilleri 4- Eriyik karbonatlı yakıt pilleri 5- Yoğunlaştırılmış oksitli yakıt pilleri

10. Özel uygulama alanlarında her yakıt pili teknolojisi kendini çekici kılan uygulama özelliklerine sahiptir. Pil pazarı büyük güç ünitelerinden düşük watt uygulamalarına taşımada büyük değişiklikler gösterir. Her pazar payı farklı bir enerji teknolojisi yaklaşımına uyum gösterir. Halen ticari teknolojide geçerli tek pil çeşidi fosforik asit pilleridir. Bunlar savunma bölümü yakıt pili geliştirme programında kullanılmaktadır. Fosforik asit teknolojisi yüksek uygulama derecelerinde sıvı asiti kontrol edebilmek için düşük dereceli destek sistemlerinde, çok pahalı materyallerin kullanımında ve daha iyi durumda muhafazasında başarıyla uygulanır.

11. Alkalin pil teknolojisi uzay mekiği uygulamalarında ve NASA’ nın diğer uygulamalarında geniş kullanım alanı bulur. Alkalin yakıt pilleri genelde iletim için kullanılırlar. Fakat havada bulunan karbon oksitlere karşı çok duyarlı olduğu için yer uygulamalarında kullanmak zordur. Eriyik karbonat teknolojisi daha yüksek derecelerde çalışırlar ve en çok 1-20 MV kapasite aralığına uygundur. Büyük güç santralleri ile yeniden üretme tesislerinde kullanılırlar. Dünyada sınırlı sayıda uygulama alanları vardır

12. Yoğunlaştırılmış oksijen teknolojisi de yüksek derecelerde kullanılır. Bu yüksek işlem dereceleri sayesinde tasarı ve uygulama dalları çok özendiricidir. Plakaları soğutmak için basınçlı katot havasını kullanılır. Yakıt pili dizileri sıcaklık, su ve basıncı kontrol eden ve sistemin kendi başına çalışmasını sağlayan pek çok alt sisteme sahiptir. Bu alt sistemler; su pompaları, su arıtma istasyonları, hava kompresörleri, soğutma pompaları ve radyatörler olabilir. Bir yakıt pilinin gücü ve verimi çok farklı değerlerde olabilir.

13. Yakıt pillerinin bir çoğunun ebatları küçük olup 0,5 ve 0,9 volt arasında DC elektrik üretirler. Bazı piller düşük ve orta voltajlı sistemlere daha yüksek voltaj üretmek için bir grup halinde “yığın” adı ile çalıştırılabilirler. Yakıt pili üretim tesisinde güç bölümünün en önemli kısmı “yığın” kısmıdır. Diğerleri ise yakıt alıcısı ( işleyicisi ) ve güç düzenleyicisidir. Aşağıdaki şekilde Yakıt pillerinin karşılaştırıl ması gösterilmiştir.

16. Elektrolit: Elektrolit hem çözünmüş reaksiyon gazlarını hem de iyonik yükleri elektrotlar arasında taşımaktadır. Şekilde görüldüğü gibi hücre elektrik devresini de tamamlamaktadır. Yakıt pillerinde sıvı, nemli katı polimerler ve eriyikler elektrolit olarak kullanılmaktadır. Elektrot: Yakıt hücrelerinde gözenekli gaz elektrotları kullanılmaktadır. Çünkü reaksiyon hızını sınırlayan kullanılabilecek reaksiyon alanıdır. Gözenekli elektrotlar yüksek yüzey alanına sahip olduklarından daha yüksek akım yoğunluğu elde edebilirler. Hücre Modülü: Pillerde olduğu gibi tek yakıt pili hücreleri arzu edilen voltaj seviyelerine ulaşılacak sayıda birleştirilirler. buna hücre modülü denir.

17. BİR YAKIT PİLİ NASIL ÇALIŞIR Yakıt pilleri, günümüzde,verimli, ekonomik, sessiz ve çevreyle uyumlu bir enerji üretim teknolojisi olarak giderek daha yaygın uygulama alanları bulmaktadır. Yakıt pilleri yanma olmaksızın ve herhangi bir ara eleman kullanmaksızın giren yakıtın kimyasal enerjisini, elektrik ve ısı formunda kullanılabilir enerjiye çeviren güç elemanlarıdır. Elektrik üretimini, sürekli olarak yakıt ile beslendiğinde sürdürebilen böyle bir sistem, konvansiyonel bir güç üretim sistemi olarak düşünülebilir, ancak yakıt pilli güç sistemleri dönen parçaları olmaması nedeniyle konvansiyonel güç sistemlerinden farklıdır.

18. Yakıt pilleri, bir yakıtın (hidrojen zengini gaz karışımından gelen hidrojen) ve bir oksitleyicinin (havanın oksijeni) kimyasal enerjisini sürekli olarak elektriğe ve ısıya çeviren cihazlardır. Bir başka deyişle yakıt hücreleri, elektro kimyasal süreç sonunda yakıtta depolanmış enerjiyi doğrudan doğru akıma (DC) dönüştüren bir teknolojidir. Geleneksel güç üreten makinelerden farklı olarak yakıt hücrelerinin hareketli parçaları yoktur. Aynı şekilde motorlardaki gibi bir yanma da gerçekleşmez. Bu nedenle temiz bir çevre ve insan sağlığı açısından eşsiz bir teknolojidir.

19. Bütün yakıt pilleri temelde aynı ilkelerle çalışır. Yakıt pillerindeki iki ince elektrot ve bunların arasına sıkıştırılmış bir elektrot bulunur. Anoda gelen yakıt, orada iyonlara ve elektronlarına ayrışır. İyonlar elektrolitten geçip katoda ulaşırken elektronlar da bir elektrik devesi üzerinden DC/AC dönüştürücüsüne veya DC motoruna gönderilir. Katotta, iyonlar oksijenle birleşip su buharı üretir. Yakıt pilinde kullanılan yakıta ve elektrolite bağlı olarak farklı tepkimeler olur. Farklı tepkimelerde de değişik yan ürünler ortaya çıkar. Sonuç olarak yapılan işlem elektrolizin tam tersidir.

20. Tükenmez ve hiç bir zaman şarj olmaya ihtiyacı olmayan yakıt pilleri yakıtın enerjisini direk olarak elektro kimyasal yolla elektrik enerjisine çevirirler. Anot yakıtlanmayı ve katot oksitlenmeyi sağladığı zaman yakıt pilleri sürekli bir batarya gibi çalışır. Bir batarya gibi sessiz ve hareketsizdir. Fakat bataryadan iki yolla farklıdır. Tehlikeli maddeler içermez ve kirlemeksizin yenilenebilir. Bir yakıt kaynağı olarak kullanılır. Hava, katot yüzeyi üzerinden geçer. Elektronlar katoda doğru bir dış devre yoluyla taşınırken hidrojen iyonları da elektrolit yoluyla oksijen elektroda göç ederler. Katotta oksijen ve hidrojen iyonları ile elektronların reaksiyona girmesiyle su elde edilir. Elektronların dış devre yoluyla akışı ile elektrik üretir..

22. Yakıt hücresi çalışma hücresi suyun elektrolizinin tam tersidir. Yakıt hücresi için reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir. Hidrojen elektrotta, H2 ® 2H+ + 2e- Oksijen elektrotta, ½ O2 + 2H+ + 2e- ® H2O Toplam reaksiyon, H2 + ½ O2 ® H2O

23. YAKIT PİLİNDE NE TÜR YAKITLAR KULLANILABİLİR Yakıt pilleri hidrojen veya hidrojen içeren yakıtlar metanol, etanol, doğal gaz içeren yakıtlar ile benzin ve dizel yakıtları bile kullanabilir. Hidrojen içeren yakıtlar genellikle hidrojeni ayrıştıran bir “yakıt ayrıştırıcısına” ihtiyaç duyarlar.

24. NEDEN HİDROJEN TERCİH EDİLİYOR Uzun araştırmalar ve deneyler sonucunda, yakıt hücreleri için en önemli yakıtın hidrojen olduğu saptanmıştır. Bunun sebeplerini maddeler halinde yazacak olursak; • Reaksiyon kademeleri basittir ve yan ürünü yoktur. • Günümüzde reaksiyon mekanizmaları tam olarak çözülmüştür. • Diğer yakıtlara (alkoller, hidrokarbonlar ve kömüre) göre çok daha yüksek elektro kimyasal etkenlik gösterir. • Düşük sıcaklıklarda diğer yakıtlara göre daha çok verimlidir. • Reaksiyon sonucu oluşan ürünler zehirli değildir

25. A.B.D. başkanı G.W.Bush 28 Ocak 2003 tarihinde yaptığı bir konuşmasında hidrojen enerjisini hürriyet enerjisi olarak nitelendirmiş ve bu alandaki çalışmaların desteklenmesi amacıyla 1.7 milyar dolarlık bir kaynak ayrıldığını söylemiştir Prof. Dr. Nejat Veziroğlu ; Türkiye dünyanın hidrojen enerjisine geçmesinde anahtar rol oynayacaktır. Dünyada 40-50 yıl sonra fosil yakıt enerjisi tükenecektir. Türkiye’ de hidrojen kaynakları oldukça zengin. Güneydoğu ve Doğu Anadolu hidrojen enerjisi elde etmek için güneş enerjisi, Ege ve Orta Anadolu bölgesinde rüzgar ve jeotermal enerjisi bol. Ayrıca Karadeniz ’in 60 metre altında da hidrojen elde etmeye yarayan hidrojen sülfür oldukça yoğun..

26. TÜBİTAK Marmara Enerji Enstitüsü Müdürü Doç. Dr. Mustafa Tırıs; ‘Hidrojen enerjisi alternatif bir kaynak olarak öne çıkacak ve Türkiye stratejik ürün haline gelecek olan bor-hidrür en önemli sağlayıcısı olacaktır. Bor-hidrürü bir sünger gibi düşünmek mümkün, nasıl sıktığınızda içindeki suyu alıyorsunuz, aynı biçimde bora hidrojen depolarsanız, hidrojeni borla taşımak ve almak mümkün. Bor kaynağı sadece Türkiye de var. Hidrojenin dünya pazarına güvenli bir şekilde taşınmasına ihtiyaç var, dolayısıyla Türkiye ’ nin bu konuda tekel olması söz konusudur’

27. Burada üzerinde duracağımız yöntem, özellikle ülkemizdeki bor rezervlerini de göz önüne alırsak hidrojenin Sodyum Borhidrür ’ den elde edilişi olacaktır. Yeni bir konu olmasına karşın bu konu üzerindeki araştırmalar çok hızlı gelişmektedir. Aşağıda denklemleri verilen bu sistemde,Sodyum borhidrür katalitik olarak suyla birleşmesinden hidrojen verir.

28. Genel denklemi; NaBH4 + 2 H2O → katalizör → 4 H2 + NaBO2 Anotta: BH4- + 8 OH - → BO -2 + 6 H2 O + e- Katotta: 8e- + 4 H2 O + 2O2 → 8 OH Toplam: NaBH4 + 2O2 → NaBO2 + 2 H2O denklemleri ile reaksiyonları açıklayabiliriz.

29. Sodyum bor hidrür yönteminin diğer hidrojen üretim yöntemlerine göre avantajları: • Reaksiyonun kontrolü kolaydır • Reaksiyondaki katalizör ve sodyum perborat tekrar kullanılabilir • Yanıcı ve patlayıcı değildir • Ağırlığının yaklaşık % 10.5 kadar hidrojen depolayabilir • Üretilen H2’ nin yarısı sudan diğer yarısı da hidrürden gelmektedir. Bu yöntem özellikle ülkemiz için çok önemlidir, bu yöntemin geliştirilmesi demek ülkemizdeki bor rezervlerinin daha da değerlenmesi demektir.

30. YAKIT PİLLERİNİN UYGULAMA ALANLARI Yakıt pillerinin kullanıldığı alanları kısaca maddelersek; a) Yerüstü Uygulamaları: • Elektrik Santrallerinde ( Fabrikalarda,yüksek miktarda enerji üretmek için...) • Konutlarda kullanım • Vasıtalarda ( Arabalar, Otobüsler, Kamyonlar, Trenlerde.. ) • Günlük yardımcı edevatlarda ( cep telefonu, el feneri, çim biçme makinesi...) • Atık Alanlarında ve Su Arıtma tesislerinde

31. b) Deniz Uygulamaları: • Gemiler, Feribotlarda • Denizaltılarda c) Uzay ve Gökyüzü Uygulamaları: • Uçaklarda • Uzay araçları ve Uzay Projelerinde

32. Yakıt pillerinin ilk uygulamalarını meydana getiren uzay aracı çalışmaları devam etmektedir. Bu tür uygulamalar oldukça ilginçtir: uzay aracı güneş görebildiği sürece enerjisini güneş pilleri ile sağlamakta ve artan enerjinin bir kısmı ile araçta bulunan su elektroliz yolu ile bileşenleri olan hidrojen ve oksijene ayrışmakta , ve güneş görülmeyen vakitlerde ise üretilen hidrojen ve oksijen yakıt pillerinde bir araya getirilerek su, elektrik akımı sağlamaktadır. Bu konuda NASA’ da yoğun çalışmalar sürmektedir.

33. Yakıt Pillerinin Elektrik Santrallerinde Kullanımı Halen Japonya’ da Tokyo ElecricCompany tarafından kurulan 11 MW’ lık elektrik santrali Rokko adasının elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamaktadır. Bu tesis kapasiteleri 50 ile 500 KW arasında değişen yüzlerce yakıt hücresi tesisi bulunmaktadır. Sadece Tokyo’ da şehrin elektrik ihtiyacının 40.000 KW’ lık bölümü hidrojen enerjisi sistemlerinden sağlanmaktadır.

34. Yakıt pillerinin elektrik santrallerinde kullanımı. (fuelcells.org 2006)

35. Büyük miktarlarda elektrik üretecek yakıt pillerinde katı oksit ya da ergimiş karbonat teknolojisi yeğleniyor. Bunlar gerek fosforik asitli gerekse PEM’ li yakıt pillerinden çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışıyor ve enerji verimleri de %55 düzeyinde. Elektrik üretimi esnasında ortaya çıkan karbon dioksit ve sıcak su buharı da başka bir türbini döndürmede, yani ilave elektrik üretiminde kullanılıyor. Böylece bu yakıt pilli elektrik santrallerinde enerji verimi %80’ ler düzeyine yükseliyor.

36. Görülmemiş düzeydeki enerji veriminin yanı sıra, yakıt pilli elektrik santralleri çok da az yer kaplıyorlar. 2 MW’ lık güç üretebilen böyle bir santral, 20 m^2 den az bir alana kurulabiliyor. Bu durumda elektriğin, tüketicilerin bulunduğu kentlerden uzakta üretilmesine gerek kalmıyor. Gelecekte tüketicilerin bulunduğu yerlerin yakınına kurulacak yakıt pilli santraller, gereksinimleri karşılayacaktır. Böylece elektrik santrallerinden kullanıcılara kadar uzanan yüzlerce hatta binlerce kilometrelik iletim hatlarına, aradaki transformatör merkezlerine de gerek kalmaz. Bu milyarlarca dolarlık bir tasarruf demektir. Ayrıca üretim sırasında ortaya çıkan elektrik kayıpları da ortadan kalkar.

37. Yakıt pilli elektrik santral örnekleri.( Fuelcells.org 2006)

38. Bu alanda etkinlik gösteren bir çok şirket mevcuttur. InternationalFuelCell bugüne kadar 140’ dan fazla santral kurmuş.185 adette sipariş almıştır. ABD’nin Connecticut eyaletindeki ResearchCorporation şirketiyse 1500 evin elektrik gereksinimi karşılayacak 2,85 MW’ lık bir santral üzerinde çalışıyor. Bunlar gibi pek çok örnek daha sayılabilir.

39. YAKIT PİLLERİNİN AVANTAJLARI En iyi özellikleri yüksek verimlilik. Yakıt pillerini, Carnot Kuramına göre çalışan makinelerin hepsinden üstündür, çünkü Carnot Çevriminin formülüne göre; MAX verimlilik = (T1- T2 )/T1 dir ve buda bize ısı enerjisinin tamamının hiçbir zaman mekanik enerjiye çevrilemeyeceğini gösteriyor. Oysa yakıt pilleri kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine kayıpsız çevirir. Aşağıdaki tabloda da açıkça verimlilikler arasındaki fark görülmektedir.

40. Yakıt (hücre) Pili ve Carnot Çevriminin verim karşılaştırması ( Fuel Cell Hand Book 2000)

41. Klasik çevrim teknolojisinde, yakıttan kimyasal biçimde depolanan enerji yanma reaksiyonu ile ısıya ve ısı Rankin çevrimi ile mekanik enerjiye dönüştürülür. Bu dönüşüm sırasında hem Carnot çevrimi sınırı aşılamamakta, hem de mekanik enerji jeneratörde elektriğe dönüştürülürken yeni kayıplar oluşmaktadır.

42. Diğer avantajlarını sıralarsak: • Sessiz çalışırlar • Doğrudan enerji dönüşümü ( yakma yok ) • Düşük sıcaklık birimlerinin mümkün olması • İşletimde iyi performansa sahip olması • Uzaktan işletim • Ölçü/boyut esnekliği • Yakıt esnekliği • Yan ürün olarak oluşan atık ısı geri kazanılabilir. • Katı atık problemi yoktur • Çevreyi kirletmezler

43. Modüler sistemlerdir ve taşınabilirler • Düşük emisyon • Uzun ömür • Hareketli parçaları yoktur Dezavantajlarına gelince: • Üretimleri ve araştırmaları pahalıdır • Güç üretim endüstrisi için tanıdık olmayan bir teknoloji • Bazı yakıt türleri için ( hidrojen, metanol. ) bir dağıtım altyapısı bulunmaması. • Gelişimleri için yüksek teknolojiye ihtiyaç vardır • Ömürlerinin içindeki maddelere bağlı oluşu ve tam belirlenememesi • Seri üretimlerinin tam olarak henüz gerçekleştirilememesi şeklinde verilebilir

44. YAKIT PİLİNİN MALİYETİ NEDİR Günümüzde mebranın araştırma amaçlı m2 fiyatı yaklaşık olarak 500 $/m2 dir. Seri üretime geçilmesi halinde bu mebranların maliyetinin, üretim sayısı ile üstel olarak azalabileceği ve maliyetinin 50 $/m2 olması bekleniyor.

45. Amerika’daki ECO (EconomicCooperationOrganization) kırsal alanlardaki elektrik birliğinin 12.300 adetlik 10 KW’ lık Hidrojen yakıt pilleri ihalesinde bir ünite fiyatı 10.000 dolardan verilmiştir. Fakat bu fiyatlar üretim rakamlarına bağlı olarak süratle düşmektedir. • Vestel’ in 2 yılda 20 milyon dolar harcadığı yakıt pili teknolojilerini ürünleri vitrine çıkıyor. Evlerde enerji ihtiyacını karşılayacak olan katı oksit yakıt pillerinin 1 kilovatlık enerji üretim gücü başına satış fiyatı 5 bin dolar civarında. Türkiye’de bir evin ortalama saatlik enerji ihtiyacının 2.5 kilovat düzeyinde olduğu tahmin ediliyor. Böylece evlerinde enerji harcamalarını yüzde 90 azaltmak isteyenlerin yapacağı yatırım yaklaşık 12.500 dolar olacak.

46. BİZİ DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜRLER