Yakıt Pilleri Yazı Dizisi 9: Katı Oksit Yakıt Pilleri

Katı Oksit Yakıt Pilleri

Katı oksit yakıt hücreleri elektrolit olarak katı seramik kullanır. Kullanılan seramiklerden en yaygını itriya-dengeli zirkonya (Yttrium-stabilized zirconia/YSZ)’dır. Çalışma sıcaklığı çok yüksek olduğundan katalizörlere ihtiyaç duymaz. Bu nedenle bu hücreler diğerlerine göre daha düşük maliyetlidir.
Katı oksit yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklığı 800-1000 °C arası değişmektedir. Bu yüksek sıcaklık iç gelişime izin verirken kinetik enerjiyi de destekler. Yakıt hücresi bu yüksek sıcaklıktan dolayı yüksek kaliteli ısı üretir. Hücrenin bu sıcaklıkta çalışmasının nedeni itriya- dengeli zirkonya seramiğin bu sıcaklıkta iyon iletkenliğinin kanıtlanmış olmasıdır.

Katı oksit yakıt hücresinin güç verimi % 50 ile % 60 arasında değişirken açığa çıkan ısının da yakalanarak kullanılmasıyla verim % 80’e kadar çıkar. Hücrenin yaklaşık güç yoğunluğu 240 [mW/cm²] iken 2kW ile 100MW arasında elektrik üretme kapasitesine sahiptir.
Katı oksit yakıt hücrelerinde yakıt olarak sadece hidrojen gazı kullanılmaz. Doğal gaz gibi çok değişik yakıtlar da kullanılabilir. Diğer yakıt hücrelerine kıyasla yakıt esnekliği çok yüksektir.
Katı oksit yakıt hücreleri genellikle iki biçimde bulunur: tüpler ve sıkıştırılmış diskler. Bu iki biçim arasında işlev bakımından bir fark yoktur.

aist.go.jp

1. Katı Oksit Yakıt Hücrelerinin Çalışma Prensibi

Diğer yakıt hücrelerinde anottan katota doğru bir iyon hareketi görülürken, katı oksit yakıt hücrelerinde bu hareket O2‾ iyonları tarafından katottan anota doğru gerçekleştirilir. Anotta yüksek ısıyla hidrojen protonlarına ve elektronlarına ayrılır. Elektronlar dış bir devreden geçerek katota gider. Katota verilen havada bulunan oksijen gazı elektronlarla birleşerek O2‾ iyonlarını oluşturur. Oluşan bu O2‾ iyonları elektrolitten geçerek anotta hidrojenle birleşir ve su ve elektrik üretir. Bu yakıt hücresinde gerçekleşen esas kimyasal olay suyun yanması reaksiyonudur.

alternativefuels.about.com

Yakıt hücresinin reaksiyonları ise şu şekildedir:

Anot: 2H2 + 2O2‾ → 2H2O + 4e‾
Katot: O2 + 4e‾ → 2O2‾

Hücredeki ana reaksiyon: 2H2 + O2 → 2H2O

2. Katı Oksit Yakıt Hücrelerinde Kullanılan Diğer Yakıtlar

Katı oksit yakıt hücresi tüm yakıt hücreleri içinde en çok tolerans gösterendir. Yakıt olarak sadece hidrojen gazı kullanmaz fakat yakıtın hidrojen atomları içermesi gerekmektedir. Küçük moleküler ağırlığı olan moleküller iç dönüşüm denilen bir olayla hidrojen gazı açığa çıkarırlar. Bu iç dönüşüm çalışılan yüksek sıcaklık sayesinde olur. Karbon monoksitin iç dönüşümünü örnek vermek gerekirse reaksiyon şöyledir:
CO + H2O → H2+ CO2

Metan, propan ve bütan gibi moleküller anotta iç dönüşüm geçirebilen moleküllerdendir. Fakat ağır hidrokarbonlar; gazolin, dizel yakıt, jet yakıtı ve biyoyakıtlar gibi yakıtlar için dışarıdan dönüştürücü gerekir.

3. Karşılaşılan Zorluklar

Katı oksit yakıt hücrelerinde karşılaşılan zorluklar genel olarak yüksek sıcaklıkla ilişkilidir. Bunlardan ilki anotta karbon tozu birikimine dayalı karbon koklama denilen olaydır. İç dönüşüm işleminin tam gerçekleşmemesi dolayısıyla anotta karbon tozu birikebilir. Bazı bakır bazlı sermet (seramik ve metalden üretilmiş sıcaklığa dayanıklı malzemeler) kullanılarak karbon tozu birikimi önlenebilir.
Yüksek çalışma sıcaklığına bağlı bir diğer zorluk ise un başlama süresidir. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, o sıcaklığa çıkmak için gereken süre o kadar fazla olacaktır. Bu uzun başlama süresi hareketli uygulamalara uyarlanabilmesi için bir engeldir.
Bunların dışında karşılaşılan en büyük zorluk kükürt zehirlenmesidir. Katı oksit yakıt hücresi, diğer yakıt hücrelerine göre daha hassastır. Bu nedenle yakıt hücreye girmeden temizlenmelidir.
Ayrıca seramik üretimi pahalı ve zor olduğundan katı oksit yakıt hücrelerinde karşılaşılan bir diğer zorluk arasında gösterilebilir.

4. Avantajları

Katı oksit yakıt hücrelerinin yüksek sıcaklıkta çalışmaya bağlı zorlukları olduğu kadar avantajları da vardır. Bunlardan en önemlisi platin gibi metal katalizörlerin kullanılmasına gerek duyulmamasıdır. Bu da maliyeti düşürür. Bir diğer avantaj ise fazla ısı yakalanarak tekrar kullanılabilir. Bu da verimi % 80’e kadar çıkartır.
Reaksiyon sonucu sadece su oluştuğundan NOx ve SOx gibi asit yağmurlarına sebebiyet verici gazlar çıkarmaz. Aynı zamanda bütün parçaları sabit olduğundan gürültü de oluşturmaz. Bu nedenle tamamen temiz bir enerji kaynağı olarak görülebilir.

5. Geliştirimler

Elektrolit olarak CGO (cerium gadolinium oxide) kullanıldığında çalışma sıcaklığının 500-600 °C’ye kadar düşürülebildiği gözlenmiştir. Ceres Power adlı şirketin geliştirdiği bu hücrede pahalı seramiklerin yerini paslanmaz çelik alabildiğinden maliyet ve sıcaklığa bağlı olarak da başlama zamanı düşmüştür.

Bir diğer geliştirme ise proton ileten katı oksit yakıt pilleri (PC-SPFC)’dir. Bu yakıt pillerinde oksijen iyonları yerine protonlar iletilmiştir ve bu da düşük ısıda çalışma imkânı sağlamaktadır.

6. Uygulamalar

Katı oksit yakıt pilleri büyük sabit uygulamalarda kullanım imkânı bulmuştur. Bunların içinde veri merkezleri, binalar ve satış yerleri gibi mekânların elektrik ihtiyacını karşılama yönünde Amerika, Japonya ve Almanya’da evler ve apartmanlara monte edilmiştir.
Mobil uygulamalarda ise Nissan firması Nissan X-trail FCV (Fuel Cell Vehicle) adlı bir modelinde katı oksit yakıt pillerini kullandığını açıklamıştır. 2009’da yapılan bu çalışmada, yakıt pili pil şarjı için kullanılmış ve yaklaşık olarak % 40 verim elde edildiği kaydedilmiştir.
1cm³ hacminde olduğu belirtilen bu yakıt pilinin H2 yakıtı ile 550 °C çalışma sıcaklığında 2mW elektrik ürettiği belirtilmiştir.

DELPHI şirketini ürettiği katı oksit yakıt pilleri ticari ve askeri alanda kullanılmaktadır. Bu piller 5kW elektrik üretirken yaklaşık %40-50 verimle çalışmaktadırlar. Bu yakıt pilleri hem gürültüsüz hem de sıfır emisyon yaymaktadırlar.
İsveç’in UNDINE adlı arabalı feribotunda 2010 yılında kullanmaya başladığı katı oksit yakıt pilleri metanol yakıtlıdır. 20kW elektrik üreten bu piller limanda navigasyon aletlerinin ve telsizlerin çalışması için kullanılmaktadır. Bu katı oksit yakıt pilleri de 1100F (593 °C)’den yüksek sıcaklıkta çalıştığı kaydedilmiştir.

7. Son Yıllarda Kaydedilen Çalışmalar

Katı oksit yakıt hücrelerinde kaydedilen çalışmalar genellikle çalışma sıcaklığını düşürmek için elektrolit ve elektrotların değişimi ile ilgilidir. Bunların dışında yakıt iyileştirilmesi ve gerek konut gerekse mobil uygulamalara yönlenmiştir
Fujita ve arkadaşlarının yaptığı bir çalışmada segmentli katı oksit yakıt hücrelerinin konutlarda kullanılması amaçlanmıştır. Yapılan çalışmada yakıt olarak metan kullanılmakla beraber 0.75V enerji ve % 50.6 verim elde edilmiştir. Güç ve ısının birlikte kullanılmasından ise %75 verim elde edildiği belirtilerek segmentli katı oksit yakıt hücrelerinin evlerde ısıtmada kullanılmasının uygun olduğu belirtilmiştir.
Katı oksit yakıt hücreleri çok yüksek sıcaklıkta çalıştığından metan iç dönüşümünü destekler fakat bu karbondioksitin tutulmasını gerektirmektedir. Bu nedenle yapılan bir çalışmada metan iç dönüşümü ve metan dekompozer kullanılarak bunların verimi araştırılmıştır. Metanın içten dönüştüğü reaksiyonda metan suyla birleşerek H2 ve karbon dioksiti oluşturmaktadır (CH4 + H2O→3H2 + CO2). Bu sistemlerde ortaya çıkan karbon dioksitin karbon tutucularla tutulması gerekmektedir ki bu kar bon tutucular sistemin hem karmaşıklığını hem de maliyetini artırmaktadır. Metanın dışarıdan dönüştürülerek ortaya çıkan H2 gazının verildiği sistemlerde ise (CH4 → 2 H2 + C) hem karbon tutucular gibi karmaşıklığa ihtiyaç duyulmayacak hem de değeri çok yüksek olan karbon (C) elde edilebilecektir. Aynı zamanda bu sistemlerde hücreye verilen H2 gazının saflığı daha yüksektir.
Tanim ve arkadaşlarının 2013’te basılacak olan makalelerine göre de mobil ve yardımcı uygulamalar için kullanılacak olan katı oksit yakıt hücresine kükürtsüzleştirilmiş JP-8 jet yakıtı verilerek alınacak gücün 5kW olarak kalması sağlanmıştır. Bu çalışmada hücrenin ısısı
910 °C’de sabit bırakılarak jet yakıtının reformunu gerçekleştirecek olan ototermal dönüştürücünün sıcaklığı 700 °C ve 850 °C olarak ayarlanmıştır. Bu sıcaklıklarda alınan verim sırasıyla %39.5 ve %32.6 olmuştur.

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