Yakıt Pilleri Yazı Dizisi – 3: Tarihçe

Yakıt Pilleri – Tarihçe

Yakıt pili teknolojisini ilk Sir William R.Grove tarafından 1839’da keşfedildiği kabul edilir. Bu sebeple Sir William R.Grove “yakıt pillerinin babası olarak” anılır. Grove’da yakıt pili fikri, suyun elektrolizi deneylerini yaparken oluştu. Neden elektrolizin tersi (oksijen ve hidrojen reaksiyona girerek elektrik enerjisi elde edilmesi) olmasın dedi kendi kendine ve bu doğrultuda araştırmalara başladı. Onun geliştirdiği yakıt pili sistemi; elektrolit olarak seyreltik sülfürik asit, oksitleyici etken olarak oksijen ve yakıt olarak da hidrojenden oluşmaktaydı.

Grove’a ait gaz voltaik pil şeması

Yakıt pili (fuel cell) terimi ilk olarak 1889 yılında Ludwig Mond ve Charles Lander tarafından kullanıldı. Onların ilk denemeleri hava ve kömür gazı (coal gas) ile olmuştur. Araştırmalar sanayinin ve araştırmaların başlangıcı olan 1900’lü yıllarda hızlandı, fakat yetersiz teknoloji ve malzeme yetersizliğinden dolayı sonuç hüsrandı. 1920’lerden sonra gaz-difüzyon elektrodunun başarılı düşük sıcaklıklı işlemler için önemli bir anahtar olduğu fark edilmiştir. A.Schmid ilk platin katalizörlü, gözenekli karbon-hidrojen elektrotları silindirik şekilde yapan araştırmacı olmuştur. Bu araştırmalarla önemli kademeler kaydedilmesine rağmen bu sıralarda meydana gelen II. Dünya Savaşı bu araştırmaların çoğunun durmasına neden olmuştur.

Kısaca yakıt pili tarihçesi

İlk başarılı pil icadı, 1932 yılında mühendis Francis Bacon tarafından yapıldı. Bacon gözenekli metal elektrotlu alkali yakıt pili sistemleri üzerinde çalışmaktaydı ve araştırmalarını savaştan sonra yayınlamıştır. Onun geliştirdiği hücre sistemi 1968’te insanların Ay’a uçmasını sağlayan NASA yakıt hücresi sisteminin ilk prototipidir.

F. Bacon. Geliştirdiği alkali yakıt pili ile

Artan araştırmalarla görülmüş ki düşük katalizör yüklemeli gözenekli karbon kullanımı dünyada kullanılan hidrojen-hava yakıt pillerinde düşük maliyetli bir çözüm oluşturmakta. Bu sebeple elektrikli otomobillere ilgi çok artmış ve birkaç prototip üretilmiş. 1970 yılında K. Kordesch 4 kişilik hidrojen yakıt hücresi ve piliyle çalışan hibrit bir otomobil üretmiştir. Bu araçla 3 yıl şehir trafiğinde dolaşmıştır. 1970’lere kadar uzay araştırmalarında en üst gelişmişlik düzeyinde olan alkali yakıt pili sistemleri yerini şaşırtıcı bir biçimde, fosforik asitli yakıt pili sistemlerine bırakmıştır. Bu gelişmenin sonucu olarak da hidrokarbonların yeniden yapılandırılması ve geliştirilmesi yoluna gidilmiştir. Japonya’nın bu konular ilgisi bu dönemde artmıştır ve araştırmalarını hızlandırılmıştır. Bu dönemlerde 50-100 kW’tan başlayıp 10 MW’a kadar çıkan yakıt pillerinin prototipleri üretildi.

1890’lı yıllarda yüksek sıcaklıklı ünitelerde gelişmelere önem verilmiş fakat, yüksek verime rağmen ömür süreleri ile ilgili problemlere bir çözüm getirilememiştir.

Bugüne kadar 200’den fazla yakıt hücreleri ile ilgili araştırma NASA tarafından desteklenmiştir. Apollo ve Space Shuttle projelerinde güvenli olarak yakıt hücrelerinden elektrik ve su elde edilmesinden dolayı uzaydaki rolleri gelecek açısından umut verici olmuştur. Bu başarılar, 1960’larda yakıt pillerinin dünyanın enerji problemine çözüm olacağı umudu doğmuştur ve bu sebepten dolayı 1970’li yıllarda başlanan geniş çaplı çalışmalar 2000’li yılların sonuna doğru tahminlerin ne kadar doğru olduğuna dair önemli gelişmeler yaşanmıştır.

ABD başkanı G.W.Bush 28 Ocak 2003 tarihinde yaptığı bir konuşmasında hidrojen enerjisini hürriyet enerjisi olarak nitelendirmiş ve bu alandaki çalışmaların desteklenmesi amacıyla 1.7 milyar dolarlık bir kaynak ayrıldığını söylemiştir. Bu gelişmeler aşamasında yakıt hücresi iç pazarı genişlemiştir. Örneğin; ONSI Corp. adındaki bir Amerikan firması 200kW’ta kadar enerji sağlayan fosforik asit türü yakıt pilinin pazarlamasına başlamıştır. Japonya’da Tokyo Elecric Company yanı sıra Sanyo, Hitachi, Toshiba, Kawasaki, Fuji Elecric, Kansai Elecric yakıt hücresi sistemi kullanan belli başlı şirketlerdir.

Siemens California’da 200 konutun elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamak üzere 250 kW’lık gaz tirbünlü, yakıt hücreli bir kojenerasyon sistemi kuruştur.

Avrupa merkezli Alstom, Asya merkezli Ebora firmaları ile ortak çalışan Kanada’nın Ballards firması PEM yakıt pili kullanan, 250 kW elektrik, 230 kW ısısal güce sahip jeneratörlerini üretip satışa sunmuştur. Honda araştırma ve geliştirme bölümü doğal gazdan yakıt pilli araçlar için hidrojen üreten, elde edilen elektriğin ve suyun yine üretildiği evde kullanımını sağlayan “Hidrojen Ev Enerji İstasyonu” (HES) adlı proje çalışmalarına başlamıştır.

Uluslararası potansiyel yakıt pili pazarı (sade sabit cihazlar için) 2030 yılı için 45 milyar Euro olarak tahmin edilmektedir. Hedef fiyat, tüm sistem için kW başına 1000 Euro’dur.

İzlanda’da hükümet, üniversiteler, taşıma şirketleri, fabrikalar ve çok uluslu otomobil ve petrol şirketleri konsorsiyumu oluşturulmuştur ve 2030 yılına kadar İzlanda’nın tamamen hidrojen enerjisine geçmesi planlanmıştır. Dünyanın ilk hidrojen dolum merkezi İzlanda’da açılmıştır. Bunlara ilave olarak İspanya’da INTA solar hidrojen tesisi, İtalya, Almanya ve Norveç’te SAPHYS küçük ölçekli fotovoltaik, hidrojen enerji sistemi ve Almanya’da PHOEBUS pilot tesisi gibi birçok proje yürütülmektedir.

Ayrıca araçların %65’inin skoter (küçük motosiklet) olduğu Tayvan’da yakıt hücreli skoter kullanımı desteklenmekte ve ZES (sıfır emisyon skoter) Asya Pasifik Yakıt Pili Teknolojisi Ltd. ve Kwang-Yang Motor Co. işbirliği ile üretilmektedir.

Ulaşım sektöründe, yakıt hücresi ile çalışan araçların geliştirilmesi, petrol tüketimini azaltacağı gibi, araçlardan kaynaklanan çevre kirliliğini de azaltacaktır. Yakıt hücreli otobüs üretimini gerçekleştiren Kanada’nın Ballard Şirketi’nin yanı sıra, General Motors, Ford, Chrysler, Toyota, Honda, BMW, Renault yakıt pilleri ile çalışan otomobilleri ticari anlamda üretmek ve geliştirmek çabasındadır. 1993 yılından günümüze kadar çok sayıda prototip üretilmiştir. Alman Daimler Chrysler’in ürettiği Ballard’a ait yakıt hücresi kullanan NECAR4 (sıvı hidrojenle çalışır) ve metanol dönüştürücülü NECAR5, General Motors’un Opel “Zafira” adı verilen ve 75 kW’lık Ballard tescilli yakıt hücresi taşıyan aracı Ford tarafından üretilen “Think FC5”ler, Toyota’nın RAV-4 ve Fine-N’i, Nisan Renessa ve Mitsubishi, Daihatsu, Honda ve Mazda ortaklığı Demio FCEV, Renault’un 30 kW Nora cell kullanan Lagunası prototiplere birer örnektir.

Ticari yakıt pilleri, Delphi
Ticari yakıt pilleri, Bloomenergy

General Motor hidrojen enerji teknolojisinin kullanıldığı, 20 cm kalınlığında, 120 cm eninde, 240 cm boyunda bir platform ile dört tekerden oluşan bir otomobil üretimi projelendirmiştir. Projeye göre bu platforma sahip olan kişi istediği kaportayı takarak otomobilini kullanabilecektir. Bu otomobillerde içten yanmalı motor, piston ve krank bulunmadığından bunun yerine her tekerleğin göbeğinde 20 kW’lık müstakil elektrik motorları arabaya gerekli hareketi sağlayıp, yüksek emniyet içinde sistemin süper kompakt bir yapıya kavuşmasına olanak sağlanmaktadır. Bunların dışında, %15-20 hidrojen ve %80-85 doğal gaz karışımından oluşan Hytane adlı yakıtı ile çalışan bir otobüs 1993 yılından beri Montreal’de (Kanada) denenmektedir.

Japonya’da WE-NET (World Energy Network) projesi ile Tokyo metropolitan bölgesinde hidrojen kullanımı ile oluşacak azot oksit emisyonundaki azalma potansiyeli araştırılmaktadır. WE-NET Programı Japonya’nın Uluslararası Ticaret ve Endüstri Bakanlığınca desteklenmektedir. Bu programda Japonya hidrojen enerji sistemini geliştirmek üzere 2020 yılına kadar 4 milyar dolarlık bütçe ayırmıştır. Gelecekte de Pasifik denizinin ekvator bölgesinde yapay bir adada solar radyasyon kullanarak deniz suyundan elektrolizle hidrojen üretmeyi planlamaktadır.

Halen Japonya’da Tokyo Electric Company tarafından kurulan 11 MW’lık elektrik santrali Rokko adasının elektrik ve ısı ihtiyacını karşılamaktadır. Bu tesis kapasiteleri 50 ile 500 MW arasında değişen yüzlerce yakıt hücresi tesisi bulunmaktadır. Sadece Tokyo’da şehrin elektrik ihtiyacının 40.000 kW’lık bölümü hidrojen enerjisi sistemlerinden sağlanmaktadır.

Uçaklarda ilk kullanım 1956 yılında B-57 Canberra deneme uçağında gerçekleştirilmiştir. Sovyetler Birliği de 1988 yılında Tupolev-155 deneme uçağında yakıt olarak hidrojeni kullanmıştır. Dünya Enerji Ajansı Hidrojen Programı çerçevesinde yürütülen çalışmalarda, Airbus tipi uçaklarda yakıt olarak hidrojen kullanmasına 2007 yılında başlanacaktır. Hidrojenin uçaklarda yaygın yakıt olarak kullanımı konusunda Avrupa Airbus konsorsiyumu ile Almanya-Rusya ortak çalışmaları sürmektedir.

Bu yolda belki de en önemli gelişme 1990’larda olmuştur. Membranlı yakıt hücresi sistemleri geliştirilmiştir, aslında bu tip yakıt hücreleri 1960’larda biliniyordu fakat uzay araştırmalarında alkali sistemler kadar başarılı olamadıklarından alkali sistemlerin gölgesinde kalmışlardır. Bu sistemler geliştirilerek, katalizör araştırmaları ile yüksek güç yoğunluklarına ulaşılmışlardır. Buna ek olarak uzun ömür sürelerine sahip olmuşlardır. Bu sistemlerin en büyük sorunları; membranların ve atık su ile soğutma su dolaşım sistemlerinin yüksek maliyeti. Teknolojinin bu hızlı ivmelenmesine boyun eğecekleri zaman yakındır.

Kaynaklar

Lütfen Login yada Register gizli linkleri görebilmek için

Rıdvan

Yıldız Teknik Üniversitesi’nde Doktora yapmakta.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Göztepe Escort