Yakıt hücrelerinin birçok farklı çeşidi olup, sınıflandırılması yakıt ve reaksiyonun gerçekleştiği kimyasal ortamın türüne göre yapılır. Günümüzde yakıt hücrelerinin yakıta göre doğrudan hidrojen(DHFC), karbon(DCFC) gibi türleri ile birlikte, elektrolit ortama göre Polimer Elektrolit Membran(PEM), Alkalin(AFC), Fosforik Asit(PAFC), Ergimiş Karbonat(MCFC), Solid Oksit(SOFC) gibi alt türleri bulunur. Yakıt hücresi teknolojilerinin hedefi ise tüm bu farklı yakıt türlerinin avantajlarını tek bir sistem ile sağlayabilen, uygun maliyetli bir teknolojiye dönüşmektir.

1800’lü yılların sonlarına doğru yapılan ilk yakıt hücresi denemelerinde, dönemin teknolojisi verimsiz ve yüksek maliyetli sistemlerle, oda koşullarında, yakıt olarak sadece doğrudan karbon olarak(DCFC) tanımlanan endüstriyel kömür kullanımına izin veriyordu. Ancak gelişen teknoloji ile elektron alış-verişi için yüzey arttırıcı stack adı verilen kanalların oluşturulmasıyla yakıtın tamamının işlenebilmesi sağlandı. Basınca dayanıklı güvenli depolama sistemleri ile gaz fazında da karbon yakıtlar kullanılmaya başladı. Çeşitli termodinamik sistemlerle desteklenmiş, yüksek sıcaklıklara dayanabilen reaksiyon ortamları ile yüksek sıcaklıklarda tepkimeye giren ancak daha verimli olan hidrojen gibi yakıtların kullanımının önü açılmış oldu. Ayrıca kimya alanındaki gelişmelerle anot, katot ve elektrolit malzeme için farklı kimyasallar kullanılabilir hale gelmesiyle yakıt hücresi teknolojisi, maliyet, verim, güç miktarı gibi farklı önceliklere sahip sistemlerin ihtiyaçlarına cevaplar üretebilen daha geniş bir kullanım alanına ulaştı. Bu doğrultuda biyogaz, doğal gaz gibi karbon nitelikli yakıtlar için elektrolit olarak “Ergimiş Karbonat(MCFC)” kullanılan yakıt hücreleri geliştirildi. En büyük avantaj olarak havadan alınan oksijen ile birlikte CO2 de işlenebilmekte hatta reaksiyon sonunda yine atık olarak açığa çıkan CO2, hava ile birlikte tekrar tepkimeye dahil edilebilmektedir. Bunun yanında en büyük dezavantajı ise 850ºC gibi yüksek bir çalışma sıcaklığı söz konusu olduğundan termodinamik yönetim, maliyet, yakıt nakil ve depolama gibi sebeplerle küçük güçler için tercih edilmez. Genellikle uzay araştırmaları, enerji santralleri, yüksek maliyetli askeri projeler gibi büyük miktarda enerji ihtiyacı olan uygulamalarında kullanılır.

hot module

MTU Biogas Fuel Cell(DCFC)

Günümüzde kullanılan başka bir yakıt hücresi çeşidi, “doğrudan hidrojen(DHFC)” yakıt hücreleridir. Yüksek güçler elde edilmesine imkan tanıyan bilinen en hafif yakıtı kullanan bu yakıt hücreleri, gerçekleştirdikleri reaksiyon sonucunda atık olarak yalnızca su oluşturmaktadır. Bu yakıtla çalışan hücrelerin bir türü olan alkali tip yakıt hücreleri (AFC),  ticari olarak ilk defa General Electric tarafından 1963 yılında NASA’nın  “Gemini” projesinde kullanılan 12 uzay aracı için üretilmiştir. Bu teknoloji uzay aracına uzun süreli enerji sağlarken, bir yandan atık olarak oluşan suyun astronotlara içme suyu sağlamasıyla ekstra ağırlığın önüne geçiyordu. %70 verimle bilinen en verimli yakıt hücresi türü olan AFC diğer hidrojen yakıtlı hücrelerin aksine yakıta karbon gazlarının karışmasına karşı çok hassas olması sebebiyle tamamen saf hidrojene ihtiyaç duyar. Yüksek güçler için gerekli miktarda platinyum elektrotun maliyeti, hidrojenin %100’e yakın saflıkta elde edilmesi, saflığının korunarak depolanması ve taşınması için gerekli sistemlerin maliyetleri aynı zamanda AFC tipi yakıt hücrelerini en pahalı yakıt hücresi türü yapaktadır. Bu yüzden hala yüksek maliyetli uzay araştırmalarında kullanılmaktadır. Bu dezavantajlar sebebi ile karbon varlığından daha az etkilenen doğrudan gaz düfüzyonuna imkan tanıyan PEM tipi yakıt hücreleri ortaya çıkmıştır. Diğer yakıt hücrelerine kıyasla elektron yerine, proton değişimi yapan elektrolit yapısı ile çok daha düşük sıcaklıklarda çalışabilir, daha ucuz karbon elektrotların kullanılması sebebiyle daha yaygındır. Bu teknoloji ile Rus, Tupolev ve Amerikan Boing şirketleri 1980’lerin sonunda ilk kez yakıt hücresi teknolojisi ile uçan tek kişilik uçaklarını geliştirdiler. Son olarak 6 Ocak 2014’te yapılan test uçuşunda Boing’in 900kg yük taşıyabilen Phantom’s Eye modeli 28,000 ft yükseklikte 5 saatlik bir uçuş gerçekleştirmeyi başarmıştır. Maliyetlerin düşmesi ile PEM tipi yakıt hücreleri otomotiv sektörüne taşımış, BMW, Honda, Toyota gibi otomotiv devi firmalar, ticari amaçlı hidrojen araçlarının üretimini gerçekleştirmişlerdir. Bunlarla birlikte daha yüksek güçler için toplu taşıma araçları, iş makinaları gibi uygulamalar mevcuttur.

5137h

Gemini Project’s Fuel Cell

Hacim ve ağırlık açısından az miktarlarından yüksek enerji elde edilebilen hidrojen yakıtlar mobil uygulamalar için avantajlı gözükse de, hirdojenin depolanması yakıt hücreleri teknolojisi için en kritik sorundur. Yüksek miktarlarda basınçlı depolama için kullanılan ostenitik çelik tüpler hidrojenin ağırlık ve hacim için kazandırdığı avantajı ortadan kaldırmaktadır. Hidrojeni sıvılaştırarak depolayan sistemlerde ise yakıtı sıvı halde tutacak sıcaklığı sağlamak için ekstra enerji harcanması gerekir. Katkılanmış biçimde depolama yönteminde ise kullanım esnasında yeniden ayrıştırmayı gerektirmekle birlikte hidrojenin saflığını azalttığından verimi etkiler. Buna rağmen PEM tipi hücrelerin bir alt kategorisi olan Doğrudan Metanol Yakıt Hücrelerinde (DMFC) hidrojen yerine, depolaması daha kolay ve güvenli olan ve oda koşullarında sıvı olarak bulunabilen metanol kullanılır. Ancak hidrojen saflığını yitirdiğinden verim düşer yalnızca küçük güçte uygulamalar için tercih edilir. Ayrıca günümüzde fiziksel olarak çok küçük boyutlarda üretilebilmektedir. 2011 yılında Toshiba bu avantajdan yararlanarak, yakıt pili teknolojisi ile çalışan bir dizüstü bilgisayar modelini ticari olarak piyasaya sürdü. Kullandığı yüksek çözünürlüklü kameralar, sensörler gibi yan uygulamalar sebebiyle enerji ihtiyacı açısından pil teknolojisinin yetersiz kaldığı görülmeye başlayan Apple, Samsung gibi akıllı telefon üreticilerinin de bu alanda çalışmaları olduğu biliniyor.

EFOY_10

Direct Metanol Fuel Cell(DMFC)

Tüm bunlarla birlikte su, oksijen gibi reaksiyon atıklarının, doğrudan doğaya salınımının mümkün olması sebebiyle yerleşim yerleri dışında büyük güçlerde santraller yerine, bölge içerisinde daha küçük çaplı lokal santral uygulamaları üzerinde çalışmalar mevcuttur. Hatta bir adım ötesinde günümüz teknolojisinde evlerinizin bir köşesinde bulunan yakıt tankını doldurarak, yakıt hücrenizle evinizin ısı ve elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamanız mümkün. Böylece günümüz yakıt hücresi teknolojisi, çevre dostu ve birbirinden izole bir enerji ağı ile büyük enerji santrallerinin iletim-dağıtım maliyetlerinden, bu yolla oluşan kayıplardan, merkezi arızalar sebebiyle tüm kullanıcıların enerjisiz kalması gibi dezavantajlar için çözüm sunuyor. 2010 yılı itibarı ile Japonya’da 10.000 konut, yakıt hücresi teknolojisi ile ısı ve elektrik ihtiyacını karşılamaktadır.

Tüm bu avantajlarının yanında hem yakıt hücresi üretimi, hem yakıt dağıtım ağının yaygın olmaması, maliyet/verim dengesi açısından fosil yakıtlar düzeyine ulaşamaması ya da verimli türlerinin yüksek çalışma sıcaklıkları sebebiyle ayrıca bir termodinamik yönetime ihtiyaç duyması gibi sebeplerle yeterince yaygın değildir. Fakat şimdilik internet sitelerinde haberlerini okuduğumuz yakıt hücresi teknolojilerinde yaşanan gelişmeler gösteriyor ki, bu karakteristik problemlerin çözüm maliyetlerinin düşmesi ile birlikte, pek yakında, bindiğimiz araçlardan, kullandığımız cep telefonlarına, oyuncaklarımızdan, prizlerimize çok daha yaygın biçimde hayatımızın bir parçası olacak yeni bir teknolojiyle yüz yüze tanışmak üzereyiz.

 

 

Bir Cevap Yazın