Bir yakıt hücresi, yakıtın hava ile karıştırılmasıyla açığa çıkan enerjiyi kullanarak elektrik üretir; bu reaksiyon su ve bazen de karbondioksit oluşturur. Yakıt hücreleri için en yaygın yakıt, havadaki oksijenle reaksiyona girdiğinde sadece su üreten hidrojendir. Yakıt hücreleri sürekli yakıtla beslenen bir pil gibi çalışır, böylece asla tükenmez (yeterli yakıtınız olduğu sürece). Yakıt hücreleri hidrojen ekonomisinin önemli bir parçasıdır. Hidrojen molekülleri metan, su ve biyokütle gibi maddelerde bulunur, ancak her durumda onu elde etmek için bir miktar enerji gerekir. Hidrojen üretmenin iki yaygın yolu vardır - buhar reformu adı verilen bir işlemle petrol, gaz, kömür gibi yakıtların çoğundan ayrıştırılabilir veya elektroliz adı verilen bir işlemle sudan elde edilebilir. Hidrojen fosil yakıtlardan ayrıştırılırsa karbondioksit açığa çıkar. Elektroliz yoluyla sudan elde etmek için kullanılan enerji güneş veya rüzgardan geliyorsa, üretilen hidrojen zararsızdır çünkü hiçbir emisyon açığa çıkmaz. Hidrojen yenilenebilir biyogazdan da ayrıştırılabilir, bu da salınan karbonun fosil kaynaklı olmadığı ve dolayısıyla doğal karbon döngüsünün bir parçası olduğu anlamına gelir.
Yakıt hücresi
Enerji Nasıl Dönüştürülür
Su, bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşan bir moleküldür. Suyu oksijen ve hidrojene ayırmak enerji gerektirir ve su olarak tekrar bir araya geldiklerinde enerji açığa çıkar. Bir yakıt hücresi, hidrojen ve oksijeni tekrar bir araya getirerek enerjiyi elektrik şeklinde açığa çıkarır.
Yakıt (enerji kaynağı, genellikle hidrojen) ve hava (oksijen içeren) yakıt hücresinin karşı taraflarına yerleştirilir. Yakıt hücresinin ortasında, elektrot adı verilen iki metal plaka arasına sıkıştırılmış, elektrolit adı verilen ve yakıt ile havayı ayrı tutan bir "ekran" vardır. Farklı türdeki yakıt hücreleri, yakıt ve havayı ayırmak için ne tür bir ekran kullanıldığına bağlı olarak isimlerini alırlar. Elek yalnızca iyon olarak da bilinen belirli yüklü moleküllerin içinden geçmesine izin verir.
İyon oluşturmak için elektronların sistemin bir tarafından diğer tarafına taşınması gerekir. Elektronlar yakıt tarafındaki metal plaka tarafından yakıttan ayrılır ve reaksiyonu tamamlamak için hava tarafına gitmeleri gerekir. Ekran elektronların geçmesine izin vermediğinden, elektronlar ayrı bir telden geçerek hava tarafındaki diğer metal plakaya gider. Elektronların hareketi elektrik akımı (elektrik) yaratır. Tel, elektriğin kullanılabileceği yerdir. Örneğin, tel ikiye bölünebilir ve iki yarının arasına bir ampul bağlanabilir.
Bu sırada iyonlar ekrandan geçerek diğer taraftaki moleküllerle (zaten diğer tarafta olan) ve elektronlarla (telden geçerek elektroniğe güç sağlamak için enerji veren) tepkimeye girer. Su (ve yakıt türüne bağlı olarak bazen başka ürünler) oluşur ve bunlar bir egzoz borusundan dışarı çıkar.
Verimlilik
Yakıt hücreleri oksijen ve hidrojeni birleştirerek elektrik üretir. Verimliliği çok iyidir (yaklaşık %40-%70). Reaksiyon sırasında egzoz ısısı kullanılırsa maksimum %83 verimliliğe sahiptirler. Ayrıca yakıt hücreleri doğal gaz, metanol, LPG (Likit Petrol Gazı), nafta, kerosen gibi çeşitli yakıtlar kullanabilir.
Özellikler
Bazı yakıt hücresi türleri sadece su üretir, bu da kirlilik olmadığı anlamına gelir. Çoğu yakıt hücresi türü klasik ("kalorik") enerji üretiminden çok daha az emisyona neden olur. Dizel motorlar gibi klasik güç jeneratörleriyle aynı yakıt türlerini tüketebilirler, ancak yaklaşık iki kat daha verimlidirler, yani yarısı kadar yakıtla aynı miktarda enerji üretebilirler ve dolayısıyla en az yarısı kadar kirlilik yaratabilirler. Ayrıca, doğrudan dönüşümlü yakıt hücreleri, yanmanın yan etkileri olan, küresel ısınmaya katkıda bulunan ve kriter kirleticiler olarak bilinen NOx, SOx ve partikül madde gibi ikincil emisyonlar üretme riskine daha az sahiptir.
Yakıt hücreleri çok sessizdir. Havayı hareket ettirmek için bazı fanlar ve suyu hareket ettirmek için pompalar dışında hareketli parçaları yoktur, bu da çok nadiren onarım gerektirdikleri anlamına gelir, ancak binalar gibi şeylere güç sağlamak için kullanılan bazı büyük yakıt hücreleri oldukça kırılgan olabilir.
Çok düşük kirletici emisyonları nedeniyle, yakıt hücreleri genellikle forkliftler gibi binaların içinde hareket eden araçlarda kullanılır. Çok sessiz olduklarından, tespit edilmekten kaçınmak için bazı askeri denizaltılarda kullanılırlar. Yakıt daha verimli kullanılır, bu da yakıt hücrelerinin yeni yakıt almadan daha uzun süre çalışabileceği anlamına gelir. Bu sayede hava durumu veya araştırma istasyonları, uzay gemileri veya askeri üsler gibi ulaşılması zor yerlerde kullanılabilirler.
Uzay gemileri saf hidrojen ve oksijen içeren roketler kullanılarak fırlatıldığından, gemideki elektrik bu yakıtları kullanabilen çok verimli yakıt hücreleri kullanılarak üretilmektedir. Buna ek olarak, uzay gemilerindeki yakıt hücreleri egzozlarından saf su üretir, bu da daha sonra yakalanabilir ve astronotlar için içme suyu olarak kullanılabilir, yani kesinlikle hiçbir şey boşa harcanmaz.
Yakıt Hücresi Çeşitleri
Yakıt hücreleri, iç ekranın (elektrolit) türüne göre sınıflandırılabilir. Örneğin, fosforik asit yakıt hücreleri düşük sıcaklıklar içindir. Çok daha güvenli olduğu için yüksek akım gerektiren cep telefonlarında ve otomobil güç kaynaklarında kullanılır. Alkali yakıt hücreleri genellikle potasyum hidroksit (KOH) içerir. Metanol yakıt hücreleri, metanolün elektrokimyasal olarak reaksiyona sokulmasıyla kullanılır. Bu tip yakıt hücreleri daha basit sistemler için daha iyi bir seçimdir. Ancak metanol yakıt hücreleri, reaksiyon hızı yavaş olduğu için düşük çıkış yoğunluklarına sahiptir.
Bazı önemli yakıt hücresi türleri şunlardır:
- Fosforik Asit yakıt hücresi (PAFC) - Fosforik asit yakıt hücreleri günümüzde ticari olarak mevcuttur. Kombine ısı ve güç üretimi için en yaygın yakıt hücreleridir.
- Proton Değişim Membranlı yakıt hücresi (PEM) - Bu yakıt hücreleri nispeten düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 175 °F) çalışır, yüksek güç yoğunluğuna sahiptir, güç talebindeki değişimleri karşılamak için çıkışlarını hızla değiştirebilir ve otomobiller gibi hızlı başlatmanın gerekli olduğu uygulamalar için uygundur. Tüm ticari yakıt hücreli araçlar bu tip yakıt hücresi kullanmaktadır. Bu yakıt hücrelerinin dezavantajı, üretilmesi maliyetli olan yüksek saflıkta hidrojene ihtiyaç duymalarıdır.
- Erimiş Karbonat yakıt hücresi (MCFC) - Bu yakıt hücreleri, doğal gaz gibi daha karmaşık yakıtları hücrenin kendisi tarafından kullanılmak üzere hidrojen yakıtına dönüştürmelerine olanak tanıyan çok yüksek sıcaklıklarda çalışır. Bunların başlatılması ve kapatılması birkaç saat sürer, bu nedenle yalnızca büyük binalar/işletmeler için sabit güç gibi sürekli çalışmaya devam edebilecekleri uygulamalarda kullanılırlar.
- Mikrobiyal yakıt hücresi (MFC) - Oksidasyon indirgeme reaksiyonlarını kullanarak organik substratları elektrik enerjisine dönüştürmek için solunum yapan mikropları kullanan bir yakıt hücresi.
Uygulamalar
Yakıt hücrelerinin birçok kullanım alanı vardır - büyük otomobil üreticileri yakıt hücreli otomobilleri ticarileştirmek için çalışmaktadır. Toyota ve Honda sırasıyla Mirai ve Clarity'yi piyasaya sürdü. Yakıt pilleri otobüslere, teknelere, trenlere, uçaklara, scooterlara, forkliftlere ve bisikletlere güç sağlamaktadır. Yakıt hücresiyle çalışan otomatlar, elektrikli süpürgeler ve otoyol yol işaretleri bulunmaktadır. Cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve taşınabilir elektronik cihazlar için minyatür yakıt hücreleri öngörülmektedir. Hastaneler, kredi kartı merkezleri, polis karakolları ve bankalar tesislerine güç sağlamak için yakıt hücreleri kullanmaktadır. Atık su arıtma tesisleri ve çöp sahaları, ürettikleri metan gazını elektriğe dönüştürmek için kullanmaktadır. Yakıt Hücreleri uzun zamandır uzayda kullanılmaktadır. Telekomünikasyon şirketleri yakıt hücrelerini cep telefonu, radyo ve 911 kulelerinde kullanmaktadır.
Sorular ve Yanıtlar
S: Bir yakıt hücresi nasıl elektrik üretir?
C: Bir yakıt hücresi, yakıtı hava ile karıştırarak ve enerji açığa çıkaran, su ve bazen karbondioksit oluşturan bir reaksiyon yaratarak elektrik üretir.
S: Yakıt hücrelerinde kullanılan en yaygın yakıt nedir?
C: Yakıt hücrelerinde kullanılan en yaygın yakıt hidrojendir.
S: Bir yakıt hücresinin bir bataryadan farkı nedir?
C: Bir yakıt hücresi, sürekli olarak yakıtla beslendiği için bir bataryadan farklıdır, bu nedenle yeterli yakıt mevcut olduğu sürece asla tükenmez.
S: Hidrojen ekonomisi nedir?
C: Hidrojen ekonomisi, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak için hidrojenin yakıt kaynağı olarak kullanılmasını ifade eder.
S: Hidrojen nasıl üretilir?
C: Hidrojen, buhar reformu adı verilen bir işlem kullanılarak üretilebilir veya elektroliz adı verilen bir işlem kullanılarak sudan çıkarılabilir.
S: Hidrojen fosil yakıtlardan ayrıştırıldığında ne olur?
C: Hidrojen fosil yakıtlardan ayrıştırıldığında karbondioksit açığa çıkar.
S: Hidrojen herhangi bir zararlı emisyon yaymayacak şekilde üretilebilir mi?
C: Evet, hidrojen üretmek için kullanılan enerji güneş veya rüzgar gibi yenilenebilir kaynaklardan geliyorsa, üretilen hidrojen zararsızdır çünkü hiçbir emisyon salınmaz. Hidrojen ayrıca yenilenebilir biyogazdan da ayrıştırılabilir, bu da salınan karbonun fosil kaynaklı olmadığı ve dolayısıyla doğal karbon döngüsünün bir parçası olduğu anlamına gelir.