Yakıt sistemleri, verimli, ekonomik, sessiz ve çevre ile uyumlu enerji üretiminde kullanılan, gelecek kuşaklarda çok daha yaygın olarak kullanılacağı tahmin edilen önemli uygulamalardan biridir. Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülebilir.
Alışılagelmiş elektrik sistemleri, yakıtın içindeki enerjiyi elektriğe dönüştürmek için ilk olarak yanma reaksiyonu kullanır. Yanma reaksiyonunun verimli bir şekilde gerçekleşebilmesi için yakıtın ve oksitleyicinin tam olarak karışması gerekir. Bundan sonra elektrik enerjisi üretilene kadar bir dizi ara işlem gereklidir. Her ara işlem enerji kaybına yol açar, dolayısıyla verimi düşürür.
Modüler olmaları nedeniyle yakıt pillerinin, küçük, taşınabilir elektronik cihazlardan ulaşım alanındaki uygulamalara kadar potansiyel kullanım sahaları çok geniştir. Farklı yakıt pili sistemleri değişik sıcaklıklarda çalışabilmekte ve hidrojen dışında da birçok yakıt kullanılabilmektedir. Yüksek verimlilik, sıfıra yakın emisyon değerleri, mekanik basitlik, düşük titreşim ve gürültü değerleri gibi avantajları, yakıt hücrelerini cazip kılmaktadır. Sabit ve mobil enerji kaynakları ile yardımcı güç kaynaklarında kullanılabilecek, mevcut sistemlere göre daha verimli, uzun ömürlü, düşük hacimli daha hafif ve güvenli yakıt pili sistemlerinin geliştirilmesi ile,
- Isı yönetimi,
- Su yönetimi,
- Güç yönetimi,
- Otomasyon kontrolü ele alınabilecektir.
Yakıt Hücrelerinin Tarihçesi
Yakıt hücreleri ilk defa 19. yüzyıl’ın sonunda geliştirilmiştir. İlk pratik yakıt hücreleri, Apollo uzay programı için 1960’larda yapılmıştır. 1839 yılında Sir William Grove seyreltik sülfirik asit çözeltisine daldırılmış iki platin elektrottan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi başarmıştır.
Yakıt hücresi sistemleri, kimyasal enerji dönüşümlerinin ve uzay araştırmalarının potansiyel kusursuz uygulamalarının bir temsilidir. Şimdi ise NASA, Amerikan şirketleri ile ortak çalışmasında PEM(Polimer Elektrolit Membran) yakıt hücresi modülünü kullanarak, 2005 yılındaki prosedürlere göre uzay araştırmalarında kullanışlı olacak yakıt hücresi geliştirmeye çalışıyor.
Yakıt Hücresi Uygulamaları ve Nanoteknoloji ile Gelişimi Konusunda Öneriler
Yakıt hücresi uygulamaları, uzay araştırmalarında özellikle yenilenebilir sistemleri geliştirmek üzerine yapılır. Ama yakıt hücreleri prensip olarak başka birçok uzay uygulamalarını da temsil eder. Örneğin, SOFC denilen katı oksit yakıt pilleri, elektrokimyasal oksijen üretimi esasına dayanan güçlendirilmiş uzay istasyonları ya da diğer gezegenlerde yaşam inşası için çok önemli rol oynayabilir. Nanoteknolojinin yenilenebilir sistemler için önerdiği bu yeni uygulamalar, katalizörlerin türü ve miktarı, membran ve hidrojen deposu gibi etkenlere bağlı olmakla birlikte, yakıt hücrelerinin uzayda kullanımı konusunda önemli rol oynar.
Yakıt Hücresi Türleri
Yakıt hücresi sistemleri genellikle kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar.
1) Bazik yakıt hücreleri
2) Erimiş karbonat yakıt hücreleri
3) Fosforik asit yakıt hücreleri
4) Katı oksit yakıt hücreleri
5) Proton değişim membran yakıt
Ağır metal nanoparçacıkları ile DMFC sistemlerinde, yüksek etkili hidrojen açığa çıkabiliyor. Bu tip yakıt hücreleri yakıt olarak likit metanolden faydalanır ve bu da hidrojenin katalizör olarak geliştirildiği bir sistemdir. DMFC’de yakıt doğrudan yakıt hücresine beslenir. Metanolün depolanması hidrojene nazaran daha kolaydır, zira yüksek basınç ve düşük sıcaklık gibi şartlar gerektirmez. Ancak bu tür sistemlerin dezavantajı, karbonmonoksit gibi gazları açığa çıkarmasıdır. Buna da karbon içerikli daha etkisiz gazlar sayesinde çözüm bulunabilir.
Katı oksit yakıt hücrelerinde ise (SOFC) elektrot ve elektrolit arası kararlı itriyum oksit ya da zirkonyum gibi katı oksit seramik bir materyalden yapılmıştır. Bu materyaller 800 derecenin üstünde oksijen iyonlarını iletirler.
Polimer elektrolit membran –membrane zar olarak çevrilebilir- (PEM) yakıt hücreleri elektrolitleri nanoteknoloji sayesinde geliştirilebilir. Örneğin Max Planck Enstitüsü’nde (MPI) yürütülen katı yakıt araştırmalarında, proton değişim membran yakıt hücreleri ile düşük çalışma sıcaklığında yüksek verim elde edilmesi sağlanıyor. Sessiz çalışması ve saf suyun dışında herhangi bir atık ortaya çıkarmamasından dolayı en çok ilgi çeken yakıt hücresi türüdür.
Yakıt Hücresi Sistemlerinin Önemi
Yakıt hücrelerinden uzay aracı, meteoroloji istasyonu, parklar, kırsal alanlar ve bazı askeri uygulamalar gibi yerleşim alanlarından uzak bölgelerde, çok kullanışlı güç kaynağı olarak yararlanılabilir. Hidrojenle çalışan bir yakıt hücresi az yer kaplar, hafif ve hareket eden parçası da olmadığı ve yanma da içermediği için ideal şartlarda %99’a güvenilirliğe ulaşılabilir. Bu da 6 yıllık bir çalışma süresi içinde bir dakikadan daha az bir bozuk kalma süresine denk gelir.
Tuğba Yaşar
Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
- http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=1123
- tr.wikipedia.org
- Popular Science Sayı 5