Yakıt hücresi, kimyasal enerjiyi elektriğe dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır. Reaksiyonları ayrıştırarak bir potansiyel oluşturur. Hidrojen anotta oksidasyona uğrarken, oksijen katotta indirgenmeye uğrar. Şu anda, üç ana tip yakıt hücresi ya geliştirilme aşamasındadır ya da çalışır durumdadır. Her tür benzersiz avantajlar, sınırlamalar ve potansiyel uygulamalar sunar. Aşağıdaki tablo, bu farklı tipteki yakıt hücrelerinin temel özelliklerini özetlemektedir:
| Yakıt hücresi tipi | Çalışma sıcaklığı | Katot gazı | Elektrolit | Anot gazı |
| Proton değişim membranı | 50-100 °C | Hava (Ø2 + N2) | Polimer (H+) | H2 |
| Alkalik | 50-100 °C | Hava (Ø2 + N2) | KOH | H2 |
| Katı oksit | 500-1000 °C | Hava (Ø2 + N2) | ZrO2 (O2-) | CH4, CO |
Proton değişim membranı (PEM) yakıt hücreleri #
Bu yakıt hücreleri, elektrolit olarak katı bir polimer kullanır ve bir platin katalizör ile gömülü gözenekli karbon elektrotlara sahiptir. Yalnızca hidrojen, havadaki oksijen ve su kullanarak çalışırlar ve diğer yakıt hücrelerinin ihtiyaç duyabileceği aşındırıcı sıvılara olan ihtiyacı ortadan kaldırırlar. Tipik olarak, bu yakıt hücreleri, depolama tanklarından veya yerleşik reformerlerden sağlanan saf hidrojenle çalışır.
PEM yakıt hücreleri, 50-100°C civarında nispeten düşük sıcaklıklarda çalışır. Bununla birlikte, platin katalizörü CO zehirlenmesine karşı oldukça hassastır. Bu nedenle, hidrojenin alkol veya hidrokarbon yakıtlardan kaynaklanması durumunda yakıt gazındaki CO’yu azaltmak için ek bir reaktöre ihtiyaç vardır. Bu sorunu çözmek için geliştiriciler, CO’ya karşı daha fazla direnç gösteren platin/rutenyum katalizörlerini araştırıyorlar.
Nakliye ve sabit uygulamalar genellikle PEM yakıt hücrelerini kullanır. Yapısal olarak, bir proton değişim membranlı yakıt hücresi, bir anot ve bir katot arasına yerleştirilmiş bir proton değişim membranı (polimer elektrolit) içerir. Aşağıdaki şekil, bir PEM yakıt hücresinin şematik bir gösterimini sağlar.
Yakıt hücresinde meydana gelen işlemler aşağıdaki gibidir:
- Hidrojen yakıtı girişi: Hidrojen yakıtı, akış alanı plakaları aracılığıyla yakıt hücresinin bir tarafındaki anoda yönlendirilir. Havadaki oksijen karşı taraftaki katoda yönlendirilir.
- Katotta oksijen reaksiyonu: Katotta oksijen, proton değişim zarından gelen protonlarla ve elektrottan gelen elektronlarla reaksiyona girer.
- Anotta hidrojen ayrışması: Anotta, hidrojen molekülleri ayrışır ve bir platin katalizör üzerinde hidrojen atomları olarak adsorbe olur.
- Proton transferi: Proton değişim zarı, pozitif yüklü hidrojen iyonlarının katoda geçmesine izin verir.
PEM yakıt hücresinde meydana gelen genel reaksiyon:2H2 +O2 →H2O’dur.
Alkali yakıt hücreleri #
Geliştirilen ilk yakıt hücresi teknolojileri arasındadırlar. ABD uzay programında, uzay araçlarında elektrik enerjisi ve su üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu yakıt hücreleri, elektrolit olarak suda bir potasyum hidroksit çözeltisi kullanır. Anot ve katotta katalizör olarak çeşitli değerli olmayan metalleri kullanabilirler.
Yüksek sıcaklıklı AFC’ler 100°C ile 250°C arasındaki sıcaklıklarda çalışır. Daha yeni tasarımlar, yaklaşık 23 ° C ila 70 ° C arasındaki daha düşük sıcaklıklarda çalışır. AFC’ler, hücre içindeki hızlı kimyasal reaksiyon hızı nedeniyle yüksek performanslı yakıt hücreleridir. Ayrıca son derece verimlidirler ve uzay uygulamalarında %60’lık verimlilik sağlarlar.
Bununla birlikte, AFC’lerin önemli bir dezavantajı, karbondioksit (CO2) zehirlenmesine karşı duyarlılıklarıdır. Havadaki az miktardaCO2 bile (400 ppm) hücrede kullanılan hem hidrojenin hem de oksijenin saflaştırılmasını gerektirerek çalışmalarını bozabilir. CO2’ye karşı bu duyarlılık, hücrenin ömrünü veya değiştirilmesi gerekmeden önceki süreyi de etkiler. Bununla birlikte, AFC yığınları 8000 saatten fazla kararlı çalışma göstermiştir.
Katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) #
Bu tip, elektrolit olarak sert, gözeneksiz bir seramik bileşik kullanır. Elektrolitin katı yapısı nedeniyle, bu hücrelerin diğer yakıt hücresi tiplerinde tipik olan plaka benzeri konfigürasyonda inşa edilmesine gerek yoktur. SOFC’lerin yakıtı elektriğe dönüştürmede yaklaşık %50-60’lık bir verimlilik elde etmesi bekleniyor.
SOFC’ler yaklaşık 1000°C gibi yüksek sıcaklıklarda çalışır. Bu yüksek sıcaklıktaki işlem, değerli metal katalizörlere olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Ek olarak, SOFC’ler kükürte en dayanıklı yakıt hücresi türüdür. Diğer hücre tiplerine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek kükürt seviyelerini tolere edebilirler. Ayrıca karbon monoksit (CO) zehirlenmesine karşı bağışıktırlar ve CO’nun yakıt olarak kullanılmasına izin verirler.
Bununla birlikte, yüksek çalışma sıcaklığı bazı dezavantajlar sunar. Yavaş bir başlatma ile sonuçlanır ve ısıyı tutmak ve personeli korumak için önemli miktarda termal koruma gerektirir. Bu, kamu hizmeti uygulamaları için kabul edilebilir olsa da, ulaşım veya küçük taşınabilir uygulamalar için zorluklar doğurur.
Geçtiğimiz yıllarda, proton değişim membranlı yakıt hücreleri, aşağıdakiler için en çok kullanılan teknoloji olarak ortaya çıkmıştır:
büyük ölçekli endüstriyel uygulamalar. Özellikle, otomotiv endüstrisi neredeyse odaklandı
sadece bu teknolojide. GRZ Technologies tarafından üretilen DASH Power sistemi, PEM yakıt hücrelerini kullanır.
