Yakıt hücrelerinin işlevi ve bakımı

Yakıt hücrelerinin prensibi, 1838 yılında Alman-İsviçreli fizikçi Christian Friedrich Schönbein tarafından keşfedilmiştir. Schönbein, iki platin teli sülfürik asit (elektrolit) içinde hidrojen ve oksijenle çevreledi ve teller arasında bir elektrik voltajı tespit edebildi. İngiliz fizikçi Sir William Grove de onunla aynı gemideydi. O zamanlar bile çok sayıda bilim insanı suyun geleceğin kömürü olabileceğini ileri sürüyordu. Ancak tabii ki o zamanlarda da hidrojen üretmek için elektriğe ihtiyaç vardı. Bugün, ideal olarak yenilenebilir enerjilerden elde edilen elektrikten üretilen yeşil hidrojenden bahsediyoruz.

Yakıt hücreleri enerji dönüştürücüleridir. Hidrojen ve oksijenin kimyasal reaksiyon enerjisi, elektrik ve ısı enerjisine dönüştürülür. Hidrojenin yükseltgenmesi ve oksijenin indirgenmesi, bir elektrolit yardımıyla uzamsal olarak ayırma ile sağlanır. Yaygın olarak bilinen “oksihidrojen testi”nin şiddetli reaksiyonu ya da hidrojen ve oksijen su oluşturmak üzere reaksiyona girdiğinde açığa çıkan enerji kullanılabilir.
Örneğin yakıt olarak doğal gaz veya metanolün yanı sıra diğer elektrolitler veya oksitleyici maddeler kullanan çeşitli yakıt hücresi türleri vardır. Ancak binek otomobillerde/kamyonlarda kullanılan en yaygın tür, hidrojen-oksijen yakıt hücresidir, örneğin düşük sıcaklıklı PEM yakıt hücresi (Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi/Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC).

PEM yakıt hücrelerinin en önemli parçası yığındır. Yığınlar, hidrojen ve oksijenin taşınması engellenirken, protonlara karşı geçirgen olan seri halinde düzenlenmiş çok sayıda proton değişim membranı içerir. Bireysel membran (katı elektrolit), bir katalizör de dahil olmak üzere elektrotların (anot (-) / katot (+)) dönüşümlü olarak uygulandığı merkezi bir folyodan oluşur. PEM, gaza açık bir difüzyon katmanı ile kaplanmıştır.

Yığındaki elektrot-membran ünitelerinin etrafına iki kutuplu plakalar yerleştirilmiştir. Dolayısıyla, “iki kutuplu” terimi hidrojen taşıyan anot plakası ve oksijen taşıyan katot plakası anlamına gelmektedir. İki kutuplu plakalar, hidrojen ve oksijenin homojen dağılımı, dışa doğru sızdırmazlık, yakıt hücrelerinin soğutulması ve hücrelerin elektrik bağlantısı için kullanılır. Bunlar karmaşık kanallarla karakterize edilir ve genellikle grafit, metal veya kompozit malzemelerden yapılırlar.

PEM yakıt hücrelerinin merkezinde, iki kutuplu plakalara sarılmış dikdörtgen plaka şeklinde bir membran bulunur. Anot hidrojenle, katot ise oksijenle beslenir. Her iki elektrot da birbirine bağlıdır. Değerli metalden yapılma katalizör, gaz moleküllerini ayırır. Hidrojen molekülleri (H2) iki protona ayrılır. Bu sırada her hidrojen atomu kendi elektronunu serbest bırakır. Şimdi protonlar yarı geçirgen membrandan karşıdaki pozitif yüklü katoda taşınırken, elektronlar anot ve katot arasındaki bağlantı hattı üzerinden yön değiştirir. Hidrojenin proton ve elektronları katot tarafına ulaştığında, buradaki oksijen bir reaksiyonla su üretir. Bu kimyasal reaksiyonun yan ürünü ısı ve elektrik enerjisidir. Uç plakalara veya anot ile katodun birleşme noktasına gerilim uygulanabilir.

Çok kuru hava, yakıt hücresi yığınındaki membranı kurutur. Bu, proton taşınmasından sorumlu olan membranın mekanik gücünü azaltabilir. Reaksiyon ürünü su, nemli tarafın egzoz havasından bir nemlendirici aracılığıyla yakıt hücrelerinin kuru tarafı olan besleme havasına aktarılabilir.

Ancak havanın nemi çok yüksekse, su damlacıkları halinde yoğuşablir. Bunlar gaz difüzyon katmanının veya mikro gözenekli katmanın ince yapılarını bloke edebilir. Elektrikli kompresörün türbin tarafına çarpan su damlacıkları da yakıt hücrelerinin dayanıklılığı üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir. Bu nedenle ilave su ayırıcıları kullanılmaktadır.

Yakıt hücrelerinde akustik konusu ilginçtir, çünkü yanmalı motorlarda olduğu gibi mekanik bileşenlerle işimiz yoktur. Aslında, rahatsız edici sesler elektrikli kompresörde veya borularda akış sesleri olarak ortaya çıkabilir. Uygun rezonatörler istenmeyen sesleri sönümler.

Yakıt hücresi yığınının kendisi (teorik olarak) bakım gerektirmez ve yüksek sayıda çalışma saati için bir yapı grubu olarak tasarlanmıştır. Ancak filtre elemanları düzenli aralıklarla değiştirilmelidir. Soğutma sıvısının iletkenliğinin doğru aralıkta olmasını sağlayan iyon değiştiricideki granül de sisteme özeldir. Bu da belirli aralıklarla değiştirilmelidir. Aynı durum katot hava filtresi için de geçerlidir. Onun da benzer şekilde düzenli olarak değiştirilmesi gerekir. Bir de soğutma devresi vardır. Servis açısından önemli diğer bileşenler burada bulunur: iyon değiştirici filtresi ve soğutma sıvısı partikül filtresi. Bu, otomobil ve kamyon servislerinin yakıt hücreli araçlara bakım yaparken bile işlerinin azalmaması gerektiği anlamına gelmektedir.

Yakıt hücreli araçlar, özellikle de kamyonlar, uzun menzillerin (uzun mesafelerde olduğu gibi) ve hızlı yakıt ikmali sürelerinin gerekli olduğu durumlarda güçlü yanlarını göstermektedir. Sadece birkaç dakika içinde yakıt ikmali yapabilirler. Uzmanlara göre, Well2Wheel Yaklaşımı olarak adlandırılan yaklaşım dikkate alındığında (hidrojen üretiminden tahrik enerjisine kadar), yakıt hücreleri yüzde 30 ila 40 arasında bir verimliliğe ulaşmaktadır. Sentetik yakıtlar (aynı şekilde yeşil hidrojene dayalı) yaklaşık yüzde 20 ila 40 verimlilik aralığındadır. Batarya elektrikli araçlar yüzde 60 ila 70 ile burada önemli ölçüde daha yüksek değerler göstermektedir, ancak bunlar şu anda halen şarj süresi ve menzil açısından sınırlamalara tabidir. Ancak prensipte bu değerler büyük ölçüde ilgili teknolojiye, saha koşullarına, enerji kaynağına ve diğer faktörlere bağlıdır. Hızla ilerleyen teknolojik gelişmeler, gelecekte her üç teknolojinin de verimliliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olmaya devam edebilir. Bununla birlikte, bir yakıt olarak hidrojen, yeşil hidrojenin üretimini ve kullanımını hem yer hem de zaman açısından birbirinden ayırmak ve böylece verimli ve çevre dostu tahrik sistemleri sunabilmek için oldukça ilginç bir fırsat sunmaktadır. Bu nedenle yakıt hücreleri geleceğin tahrik sistemleri karışımında oldukça ilgi çekici bir seçenektir.