Şu anda Piyasada Bulunan Yakıt Hücresi Tiplerine Kısa Bir Giriş

Yakıt hücresi, kullanılan elektrolite ve üretim sürecine göre sınıflandırılan biyolojik ve elektrokimyasal bir sistemdir. Bu yakıt hücreleri, elektrokimyasal bir işlemle çeşitli enerji formları üretir veya yanma, gazlaştırma gibi işlemlere ihtiyaç duymadan ısıya dayalı enerji veya elektrik üretmek için kullanılır. Halen prototip geliştirme veya araştırma aşamalarında olan birçok yakıt hücresi teknolojisi bulunmaktadır; bunlardan öne çıkanlardan bazıları kullanılan elektrolitler, meydana gelen kimyasal reaksiyonlar, ilgili katalizörler, çalışma sıcaklıkları ve besleme stoğu olarak kullanılan yakıt türüne göre farklılık göstermektedir. Aşağıda size şu anda bilinen yakıt hücresi sınıflandırmaları ve özelliklerine kısa bir giriş yapılacaktır. Aşağıdaki şekil, çeşitli yakıt hücresi türlerinde kullanılan yakıtların yanı sıra basit yapısal açıklamalar ve çalışma sıcaklıklarını kısaca göstermektedir; Aşağıdaki tabloda her yakıt hücresi türü için gerekli olan elektrolitler, çalışma sıcaklıkları, yakıtlar ve avantaj ve dezavantajlar sunulmaktadır.

I. Polimer Elektrolit Membran Yakıt Pilleri (PEMFC - Polimer Elektrolit Membran Yakıt Pilleri)

       Polimer elektrolit membranlı yakıt hücrelerinin (PEMFC) yüksek güç yoğunluğu ve hafifliği, onu diğer yakıt hücresi türlerinden daha popüler bir seçim haline getirmektedir. Aynı zamanda ticari uygulamalar için en yaygın ve yaygın olarak tanıtılan teknoloji yoludur. Bu isim, proton değişim membranlı yakıt hücreleriyle birbirinin yerine kullanılır ve burada aynı zamanda özellikle düşük sıcaklıklı yakıt hücrelerini (LT-PEM) ifade eder. Katı polimer elektrolitler ve platin veya platin alaşımlı katalizörlere sahip karbon elektrotlar, bu yakıt hücrelerinin yalnızca hidrojen ve oksijen (hava) kullanmasına olanak tanır. Tipik olarak PEMFC'ler yakıt olarak depolama tanklarından veya dönüştürücülerden gelen saf hidrojeni (%99,99+) kullanır. Bu yakıt hücreleri yaklaşık 80°C (176°F) gibi daha düşük bir sıcaklıkta çalışır, bu da daha hızlı başlatma süreleri sağlar ve sistem bileşenlerinde daha az aşınma ve yıpranma sağlar, bu da daha iyi dayanıklılık anlamına gelir. Ancak platin gibi değerli metal katalizörlerin kullanılması sistem maliyetlerini artırmaktadır. PEMFC'ler öncelikli olarak ulaşım amacıyla kullanılsa da sabit enerji üretimi kombine ısı ve güç uygulamalarında da kullanılabilirler. Otobüsler, arabalar ve ağır kamyonlar gibi araç uygulamaları için özellikle uygundurlar. Japonya'nın Toyota'sı, Güney Kore'nin Hyundai'si, Ballard gibi pek çok büyük oyuncu var ve yerli şirketlerin sayısı sayılmayacak kadar çok.

II. Doğrudan Metanol Yakıt Hücreleri (DMFC - Doğrudan Metanol Yakıt Hücreleri)

Çoğu yakıt hücresi, sisteme doğrudan sağlanabilen veya metanol, etanol veya hidrokarbonlar gibi hidrojen açısından zengin yakıtların dönüştürülmesiyle üretilebilen hidrojenle çalıştırılır. Bununla birlikte, DMFC (Doğrudan Metanol Yakıt Pili) işlemi tamamen %100 metanole dayanır ve bu genellikle yakıt hücresi anotuna doğrudan enjekte edilmeden önce suyla karıştırılır. DMFC'ler diğer yakıt hücresi sistemlerinde görülen yakıt depolama zorluklarından etkilenmezler çünkü metanol hidrojenden daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptir (her ne kadar benzin veya dizel yakıtlardan daha düşük olsa da). Ek olarak metanol, benzine çok benzeyen bir sıvıdır ve mevcut altyapı üzerinden taşınmasını ve dağıtılmasını kolaylaştırır. DMFC'ler yaygın olarak cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi taşınabilir yakıt hücresi uygulamalarında kullanılır. Şu anda bazı firmalar özellikle askeri sanayi, baz istasyonları gibi senaryolarda ticari tanıtım yapıyor. Yapısal prensip şekilde gösterilmektedir:

III. Alkali Yakıt Pilleri (AFC – Alkali Yakıt Pilleri)

Alkali elektrolize su (AEC) herkes tarafından iyi bilinmektedir, ancak alkalin yakıt hücreleri (AFC) öyle olmayabilir, ancak AFC icat edilen en eski yakıt hücresi teknolojilerinden biridir ve ABD uzay programında uzay gemilerinde elektrik ve su üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektrolit olarak potasyum hidroksit ve sudan oluşan bir çözelti kullanılır ve bu da anot ve katotta büyük miktarlarda soy olmayan metal katalizörlerin kullanılmasına izin verir. Son zamanlarda elektrolit olarak polimer membranları kullanan yeni AFC'ler ortaya çıkmıştır. Bu yakıt hücreleri geleneksel PEM yakıt hücrelerine benzer ancak asidik membran yerine alkalin membran kullanır. Alkali yakıt hücrelerinin (AFC'ler) önündeki en büyük engellerden biri, karbondioksit (CO2) zehirlenmesine karşı savunmasız olmalarıdır. Havadaki eser miktardaki karbondioksit bile pil verimliliğini ve ömrünü ciddi şekilde etkileyebilecek karbonat birikintileri oluşturabilir. Sıvı elektrolitli AFC'ler, elektroliti yenilemek ve karbonat oluşumunu azaltmak için devridaim modunda çalıştırılabilirken, bu mod şönt akımı ve ıslanabilirlik, korozyon ve diferansiyel basınç yönetimi gibi diğer sorunları ortaya çıkarır. Alkali membranlı yakıt hücreleri (AMFC'ler) bu sorunları çözer ve karbondioksit zehirlenmesine sıvı elektrolit kullanan AFC'lere göre daha az duyarlıdır. Ancak karbondioksit hala performanslarını etkiliyor ve şu anda hem performans hem de dayanıklılık açısından proton değişim membranlı yakıt hücrelerinin (PEMFC'ler) gerisinde kalıyorlar. AMFC'ler şu anda çok watt'tan çok kilowatt'a kadar olan aralıktaki potansiyel kullanımları açısından incelenmektedir. Ancak pratik uygulamalarda karbondioksit toleransı, membran iletkenliği ve dayanıklılık gibi bazı zorlukların ele alınması gerekir. Ticari tanıtım zayıf ve tanınmış firma sayısı az.

IV. Fosforik Asit Yakıt Hücreleri (PAFC'ler——Fosforik Asit Yakıt Hücreleri)

Fosforik asit yakıt hücreleri (PAFC'ler), elektrolit olarak silikon karbür matrisine sarılmış ve politetrafloroetilen (PTFE) ile bağlanmış sıvı fosforik asit kullanır. Elektrot, platin katalizör içeren gözenekli karbondan oluşur. PAFC'ler genellikle 'birinci nesil' modern yakıt hücreleri olarak anılır ve en olgun yakıt hücresi türlerinden biri olarak kabul edilir ve bir süredir ticari olarak kullanılmaktadır. Çoğunlukla sabit enerji üretimi için kullanılıyorlar ancak şehir içi otobüsler gibi büyük araçlara güç sağlayan PAFC örnekleri de var. Proton değişim membranı (PEM) hücreleriyle karşılaştırıldığında PAFC'lerin, hidrojene dönüştürülen fosil yakıtlardaki yabancı maddeleri tolere etme konusunda avantajları vardır. PEM hücreleri, anottaki platin katalizöre bağlanan ve yakıt hücresinin verimliliğini azaltan karbon monoksit tarafından kolayca 'zehirlenir'. Buna karşılık, PAFC'lerin yabancı maddelere karşı belirli bir toleransı vardır ve ısı ve güçle birleştirildiğinde %85'in üzerinde verimlidirler. Ancak tek başına elektrik üretirken daha az verimlidirler ve verimlilikleri %37 ile %42 arasında değişir. Bu verimlilik düzeyi, genellikle %33 civarında verimli olan yanmalı enerji santrallerininkinden yalnızca biraz daha iyidir. Ek olarak, PAFC'ler aynı ağırlık ve hacimdeki diğer yakıt hücrelerine göre daha az güçlü ve daha büyüktür, bu da onların üretimini daha pahalı hale getirir. Bu yakıt hücrelerinin üretimi büyük miktarda pahalı platin katalizör gerektirir ve bu da daha yüksek maliyetlere neden olur. Güney Kore'nin Doosan (DOOSAN) gibi temsilci şirketleri . PAFC'ler çoğunlukla sabit enerji üretimi ve drone'lar için kullanılır.

V. ​Erimiş Karbonat Yakıt Hücreleri (MCFC-Erimiş Karbonat Yakıt Hücreleri)

Erimiş karbonat yakıt hücrelerinin (MCFC'ler) elektrik hizmetleri, endüstriyel ve askeri sektörlerdeki çeşitli uygulamalar için doğal gaz ve kömür bazlı enerji santrallerinde kullanılması amacıyla geliştirilmesi şu anda devam etmektedir. Bu yakıt hücreleri, 650°C (1200°F) civarındaki sıcaklıklarda çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve yüksek sıcaklıklı yakıt hücreleri olarak kabul edilir. MCFC'de kullanılan elektrolit, gözenekli inert seramik lityum alüminyum oksit matrisinde süspanse edilmiş erimiş karbonat tuzudur. Yüksek sıcaklıklarda çalışmanın bir faydası, soy olmayan metallerin hem anot hem de katot için katalizör olarak kullanılabilmesi ve bu da maliyetlerin azaltılmasına yardımcı olmasıdır. MCFC'ler artan verimlilik nedeniyle maliyetleri önemli ölçüde azaltabilir. Türbinlerle birleştirildiğinde bu yakıt hücreleri, %6.5'e kadar verimlilik elde edebilir. çok üzerinde, %37-42'lik verimliliğinin fosforik asit yakıt hücrelerinin Ayrıca atık ısı yakalanıp kullanıldığında genel yakıt verimliliği %85'i aşabilir. Alkali, fosforik asit ve PEM yakıt hücrelerinin aksine, MCFC'ler doğal gaz ve biyogaz gibi yakıtları hidrojene dönüştürmek için harici bir dönüştürücüye ihtiyaç duymazlar. Bunun yerine, yakıt hücresinin kendisi metan ve diğer hafif hidrokarbonları dahili reformasyon yoluyla hidrojene dönüştürür ve böylece maliyetleri düşürür. Mevcut teknolojiyle MCFC'ler dayanıklılık konusunda büyük bir eksiklikle karşı karşıyadır. Yüksek sıcaklıklardaki zorlu çalışma koşulları ve aşındırıcı elektrolitlerin kullanımı, bileşenlerin korozyonunu ve ayrışmasını hızlandırır ve sonuçta kullanım ömrünü kısaltır . Araştırmacılar, korozyona dayanıklı malzemelerin kullanımını aktif olarak araştırıyor ve performanstan ödün vermeden mevcut 40.000 saatlik (yaklaşık beş yıl) hizmet ömrünü iki katına çıkarabilecek yakıt hücresi tasarımları geliştiriyor. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Fuel Cell Energy gibi temsilci şirketler.

VI : Yüksek sıcaklıkta katı oksit piller (SOFC-Katı Oksit Yakıt Hücreleri)

Katı oksit yakıt hücreleri (SOFC'ler), elektrolit olarak sert, gözeneksiz bir seramik bileşiği kullanır ve yakıtı %60 civarında elektriğe dönüştürmede oldukça verimlidir. Kombine ısı ve güç uygulamalarında sistemin atık ısısının yakalanıp kullanılmasıyla genel yakıt verimliliği %84'ü aşabilir. Bu yakıt hücreleri 1830°F'ye kadar çok yüksek sıcaklıklarda çalışır.

Bu yüksek sıcaklıktaki işlem, değerli metal katalizörler gerektirmediğinden maliyetleri azaltır. Ek olarak, SOFC'ler yakıtı dahili olarak yeniden düzenleyerek çeşitli yakıtların kullanılmasına olanak tanır ve sisteme dönüştürücü eklenmesiyle ilgili masrafları azaltır. Katı oksit yakıt hücrelerinin (SOFC), diğer yakıt hücresi türlerine göre belirgin avantajları vardır. Örneğin, diğer türlere göre daha fazla sülfürü tolere edebilirler ve karbon monoksit zehirlenmesine karşı hassas değillerdir; bu da doğal gaz, biyogaz ve kömürden türetilmiş gazlar gibi çeşitli yakıtlarla çalışabilecekleri anlamına gelir. Ek olarak, yüksek sıcaklıkta çalışma, değerli metal katalizörlere olan ihtiyacı ortadan kaldırarak onu daha ucuz hale getirir. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıkta çalışma, yavaş başlatma ve ısı koruma gereklilikleri gibi zorlukları da beraberinde getirir ve bu da onları nakliye için uygunsuz hale getirir. Ayrıca dayanıklılık, yüksek sıcaklıklardaki zorlu koşullar nedeniyle kritik bir konudur. Bu nedenle bu koşullara dayanabilecek düşük maliyetli malzemelerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Umut verici bir yaklaşım, daha az dayanıklılık sorunu ve daha düşük işletme maliyetleri olan, daha düşük sıcaklıktaki SOFC'lerin geliştirilmesidir. Bu düşük sıcaklıklı SOFC'ler henüz yüksek sıcaklıklı sistemlerle aynı performansı elde edememiş olsa da, bilim adamları şu anda bu daha düşük sıcaklık aralığında çalışabilecek malzeme yığınları geliştiriyorlar. Şu anda yurt içi ve yurt dışında birçok ilgili firma bulunmaktadır. Spesifik çalışma ve yapısal prensipler şekilde gösterilmektedir.

VII . Tersinir Yakıt Hücreleri (RFC – Tersinir Yakıt Hücreleri)

Kesin olarak konuşursak, tersine çevrilebilir yakıt hücreleri belirli bir teknik yola atıfta bulunmaz. Şu anda yaygın olanları alkalinle tersinir, PEM ile tersinir ve SOC ile tersinirdir (su ve yakıt hücrelerinin tersinir elektrolizine atıfta bulunur). Çalışma prensipleri diğer yakıt hücreleriyle benzerdir çünkü yan ürün olarak hidrojen, oksijen ve sudan elektrik ve ısı üretirler. Bununla birlikte, tersine çevrilebilir yakıt hücresi sistemleri, güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilen elektriği kullanarak elektroliz yapma ve hidrojen ve oksijen yakıtları üretme konusunda ek yeteneğe sahiptir. Bu, tersine çevrilebilir bir yakıt hücresinin yalnızca ihtiyaç duyulduğunda elektrik sağlamakla kalmayıp aynı zamanda yenilenebilir enerji teknolojileri şu anda ihtiyaç duyulandan daha fazla enerji ürettiğinde fazla enerjiyi hidrojen biçiminde depolayabileceği anlamına gelir. Bu enerji depolama potansiyeli, aralıklı yenilenebilir enerjiyi daha verimli ve güvenilir hale getirmek için kritik öneme sahiptir.