Yakıt Pilleri Yazı Dizisi 6: Alkali Yakıt Pilleri

Alkalin Yakıt Pilleri

Alkalin yakıt pili (AYP) ya da icat eden bilim adamının ismiyle Bacon yakıt pili en çok çalışılmış yakıt pillerinden birisidir. Alkalin yakıt pilleri üzerine bu kadar çok çalışma yapılmasının sebebi bu yakıt pilinin 1960’lı yıllarda NASA tarafından uzay araştırmalarında kullanılmaya başlanılmasıdır. NASA’nın bu yakıt pilini kullanmasındaki temel sebeplerden birisi de düşük sıcaklıkta çalışması, yüksek elektrik verimine sahip olması ve yüksek yük yoğunluğuna çıkabilmesidir.
AYP’lerde hidrojen ve saf oksijen tüketilerek su, ısı ve elektrik üretilir. Bu yakıt pilleri en yüksek verimli yakıt pillerinden birisidir (% 70 verim) (wikipedia.com).

Tablo: Alkalin Yakıt Pilinin Genel Özellikleri

Elektrotlar Karbon
Katalizörler Ni, Ag, Metal oksit, Soy Metaller
Elektrolit KOH Çözeltisi
Çalışma Sıcaklığı 60-90 °C (pot. 20-250 °C)
Verimlilik %60-%70 (CHP verimi > %80)
Güç yoğunluğu 10-100 kW

1. Alkalin Yakıt Pili Kimyası

Bu yakıt pilinde enerji hidrojen ve oksijen arasındaki redoks tepkimesinden üretilir. Anotta hidrojen aşağıdaki reaksiyona göre yükseltgenir.
H2 + 2 OH- → 2 H2O + 2 e-
Bu reaksiyon sonucu su ve elektronlar açığa çıkar. Elektronlar dış bir devre ile katota gider ve burada oksijeni indirger.
O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-
Katottaki bu reaksiyon ile 4 mol hidroksil iyonu oluşur. Net tepkime:
2 H2 + O2 → 2 H2O + Elektrik + Isı

2. Alkalin Yakıt Pili Çalışma Mekanizması

AYP’de yakıt olarak hidrojen anoda beslenir. Katoda ise oksijen beslenir. Anotta hidrojenler katalizör yardımı ile proton ve elektronlarına ayrılır. Elektronlar bir dış devre ile katoda taşınır. Burada oksijenler indirgenerek hidroksil iyonları oluşur. Hidroksil iyonları elektrolit ortamında taşınarak anoda gelir. Anotta hidroksil iyonları ve protonlar arasındaki tepkime ile su açığa çıkar. Bu reaksiyon sonucu ayrıca az ısı da açığa çıkar. Elektrik üretimi elektronların dış devrede göçü sırasında elde edilir.

Şekil: Alkalin yakıt pili çalışma mekanizması (fuelcelltoday.com)

3. Alkalin Yakıt Pilinin Avantajları – Dezavantajları

Alkalin yakıt pilleri ile yüksek enerji verimlerine ulaşılabilmesi bu yakıt pilinin en önemli avantajlarından birisi. Ayrıca bu yakıt pili türünün düşük sıcaklıkta işletilebilmesi, üretim maliyetinin çok düşük olması, çeşitli elektrokatalizör kullanılabilmesi diğer avantajlarıdır.
Bu yakıt pilinin dezavantajı ise elektrolitin (KOH) karbondioksite (CO2) duyarlılığı olmasıdır. Bundan dolayı saf H2 ve O2 kullanılması gerekiyor. CO ve CO2 giderilmesi zor bir teknoloji olmamasına rağmen bu, yakıt pilinin hem boyutunu hem de maliyetini arttırıyor.
CO2 ve KOH arasında şöyle bir tepkime gerçekleşiyor:
2 KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
Bu problemi gidermek üzere bilim adamları iki yaklaşım öne sürmüşler:
a) Sirküle elektrolit sistemi
Bu sistemde belli aralıklarla elektrolit çözeltisi değiştirilir. Bu sistemin getirdiği avantajları sıralayacak olursak:
– Isı değiştiriciye gerek yok
– Safsızlıklar uzaklaştırılıyor
– Gaz kabarcık oluşumunu engelliyor
– Hızlı başlama ve kapanma
– Daha ucuz
Bunun yanında bu sistemin bazı dezavantajları da var: Ek aletler, parazitik akımlar, elektrolit alanının büyük olması.

sirkule elektrolit sistemiŞekil: Sirküle Elektrolit Sistemi

b) Anyon değiştirici membran
Bu sistemde iyonomerlerden yapılmış yarıgeçirgen zarlar kullanılır. Bunların avantajları:
– Fe, Co, Ni gibi soy olmayan metaller kullanılabilir
– Karbonat oluşumunu engeller
Lakin iletkenlik, termal ve kimyasal kararlılığın beklenen düzeyde olmamasından dolayı bu yaklaşımda çok fazla bir gelişme kaydedilemedi.

4. Alkalin Yakıt Pili Alt Kategorileri

İki tür yakıt pili alkalin yakıt pilinin alt kategorisine girmektedir. Bunlar;
– Metal Hidrür Yakıt Pili
– Doğrudan Borohidrür Yakıt Pili
Metal hidrür yakıt pilinin en önemli özelliği hidrojeni kimyasal olarak depolamasıdır. Bu özellik doğrudan borohidrür yakıt pillerinde de vardır. Metal hidrürlerin bir ayırt edici özelliği borohidrürlerden daha düşük absorplama kapasitesine sahip olması. Böylece metal hidrürler daha düşük sıcaklıklarda çalışabiliyor (-20 °C). Ayrıca yine bu sebepten dolayı hızlı kinetik gösteriyorlar ve daha uzun raf ömrüne sahipler (wikipedia).
Doğrudan borohidrür yakıt pilinde ise yakıt olarak sodyum borohidrit ya da potasyum borohidrit kullanılır. Bunların yüksek işletim potansiyeline sahip olması birçok alanda uygulama alanı bulmasını sağlamaktadır. Temel reaksiyonlar şu şekilde gerçekleşir:
NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4H2
Yakıt pilinin;
Katodunda: 2O2 + 4H2O + 8e− → 8OH−
Anodunda: 8H2 + 8OH− → 8H2O + 8e−
Net reaksiyon: NaBH4 + 2O2 → NaBO2 + 2H2O + Elektrik + Isı
Bu yakıt pilleri 70 °C sıcaklıklarda çalışabilmektedir. Temel avantajları platin gibi pahalı katalizöre gerek duyulmaması ve yüksek güç yoğunluğuna çıkabilmesidir. Dezavantajı ise NaBO2 → NaBH4 geri dönüşümünün zor olmasıdır (wikipedia).

sodyum borohidrit yakit piliŞekil: Sodyum borohidrit yakıt pili çalışma şeması

5. Alkalin Yakıt Pilleri Hakkında 2012 Yılında Yapılan Bazı Çalışmalar

Alkalin yakıt pilleri ile ilgili çalışmalara bakıldığında temel olarak üç ana eleman üzerine yoğunlaşıldığı görülür. Bunlar: farklı katalizörlerin denenmesi, farklı elektrolit hazırlama, farklı yakıt deneme.
2012 yılında yapılan çalışmaların birinde Ohyama ve arkadaşları bir alkalin anyon değiştirici membran yakıt pilinin anodunda katalizör olarak rutenyum (Ru) nanoparçacıkları denemişler. Araştırmacılar farklı boyutlarda rutenyum nanoparçacık sentezlemişler ve katalizör etkisini platinyum ile kıyaslamışlar.

Tablo: Karbon destekli metal nanoparçacıkların boyutları ve hazırlanma yöntemleri

yakit pili makale tablo 1

Analizler sonunda rutenyum nanoparçacıklar platinden daha yüksek aktivite gösterdiği bulunmuş (Ohyama, J. vd., 2012).

yakit pili makale sekil 1

Şekil: Çeşitli metal nanoparçacıkları ile elde edilen güç yoğunlukları

Bir başka çalışmada araştırmacılar alkalin yakıt pillerinde kullanılmak üzere farklı bir alkalin anyon değiştirici membran tasarladılar. Mevcut alkalin anyon değiştirici membran sentezi sırasında kanserojenik maddeler kullanılmakta. Araştırmacılar bu çalışma ile kanserojenik bir madde kullanılmadan düşük toksisiteli membran sentezleyebildiler. Araştırmacılar ayrıca sentezlenen bu membranın iyi mekanik, kimyasal ve termal kararlılığa sahip olduğunu belirtiyorlar (Zhao, Y. ve ark., 2012).

Kaynaklar Lütfen Login yada Register gizli linkleri görebilmek için

Rıdvan

Yıldız Teknik Üniversitesi'nde Doktora yapmakta.

Yakıt Pilleri Yazı Dizisi 6: Alkali Yakıt Pilleri” için 3 yorum

  • 12 Mart 2015 tarihinde, saat 13:26
    Permalink

    merhabalar,sizinle iletişime geçebilir miyiz? bitirme tezimiz yakıt pili konusunda

    Yanıtla
  • 30 Kasım 2015 tarihinde, saat 01:21
    Permalink

    Alkalin yakıt pilleri hakkında bizimle paylaşmış olduğunuz bilgiler için size teşekkür ederim. Sunum konumuz hakkında kapsamlı bilgi edinmemizi sağladınız. Yazılarınızın devamını temenni ederim.

    Yanıtla

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir