•Yakıt Hücrelerinin Çalışma Prensibi
Yakıt hücresi, alışılagelmiş elektrik üretim sistemlerinden farklı bir prensiple çalışır. Sıradan sistemlerde yakıtın içindeki enerjiyi elektriğe dönüştürmek için ilk olarak yanma reaksiyonunu kullanır. Yanma reaksiyonunun verimli bir şekilde gerçekleşmesi için yakıtın ve oksitleyicinin (oksijen) tam olarak karışması gerekir. Bundan sonra elektrik enerjisi üretilene kadar bir dizi ara işlem gereklidir. Her ara işlem enerji kaybına yol açar dolayısıyla verimi düşürür.
Bir yakıt hücresinde ise yakıtın enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi mümkündür. Yakıt ile oksitleyici farklı bölmelerde yer alırlar, alışılagelmiş üretim sistemlerinden farklı olarak karışmazlar. Birleşmeleri ancak bu bölmeler arasındaki iyon ve elektron aktarımı ile gerçekleşir. Yakıt hücresi, yakıtın enerjisini elektrokimyasal reaksiyon sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Dışarıdan sağlanan yakıt (anot tarafı) ve oksitleyici (katot tarafı) ile elektrik üretir. Bunlar bir elektrolit/elektrot ünitesinde reaksiyona girerler.
Yakıt hücüleri, gerekli yakıt ve oksitleyici akışı sağlandığı sürece sonsuza dek çalışabilirler. Reaksiyona girecek olan maddeler sürekli olarak tüketilmesine karşın, pillerde kapalı bir sistem içinde elektrik enerjisi kimyasal olarak depo edilmiş haldedir. Ayrıca, pildeki elektrotlar reaksiyona girmelerine ve pil dolup boşaldıkça değişmelerine karşın, yakıt hücresinin elektrotları katalitik olup nispeten kararlıdırlar.
Kataliz Temeline Dayanan Tasarım
Yakıt hücresinin çalışma prensibi, kataliz temeline dayanır. Reaksiyona giren yakıtın elektron ve protonları ayrılır. Elektrolit elektronik iletken olmadığından, yalnızca iyonik iletkenlik gerçekleştirir. Yakıt hücresi tipine göre oksijen iyonu ya da hidrojen iyonlarını ileterek iyonik iletkenlik gerçekleştirmiş olurlar. Elektronlar bir elektronik devre üzerinden akmaya zorlanır ve böylece elektrik akımı üretilmiş olunur. Bir diğer katalitik prosesle de, geri toplanan elektronların protonlarla ve oksitleyici ile birleşerek atık ürünler (örneğin; su, karbon dioksit, ısı) açığa çıkar.
Hidrojen–Oksijen (proton değişim membranlı yakıt hücresi, PDMYH) tasarımı örneğinde, proton ileten bir polimer membran (elektrolit), anot ve katotu birbirinden ayırır. Proton değişim mekanizmasının tam anlaşılamadığı 1970’lerde bu hücre, “katı polimer elektrolitli yakıt hücresi” olarak adlandırılmaktaydı. Anot tarafında, hidrojen, anot katalizöre yayınarak proton ve elektronlara ayrışır. Protonlar membran üzerinden katoda doğru ilerlerken, elektronlar da membranın elektriksel olarak yalıtkan olması nedeniyle harici bir devre üzerinden akar ve elektrik akımı oluştururlar. Oksijen molekülleri katot katalizör üzerinde elektron ve protonlarla reaksiyona girerek su oluşturur.
Tipik bir PDMYH 0,6 ila 0,7 V arasında voltaj üretebilir. Değişik faktörler nedeniyle akım arttıkça voltaj azalır: aktivasyon kayıpları, hücre bileşenleri ve iç bağlantıların direnci nedeniyle voltaj düşüşü ve kütle taşınım kayıpları. İstenen miktarda enerji eldesi için, yakıt hücüleri seri veya paralel devreler bağlanabilir. Seri devreler daha yüksek voltaj, paralel devreler daha yüksek akım çekilmesine olanak verir. Bu tür yapılar “yakıt hücüresi yığını” olarak adlandırılır.
Erken Tarihçe ve Gelişimler
Yakıt hücresinin prensipleri ilk olarak Alman bilim insanı Christian Friedrich Schönbein tarafından 1838’de bulunmuş ve “Philosophical Magazine” in Ocak 1839 baskısında yayımlanmıştır. Bu çalışmadan esinlenen Galli bilim insanı William Robert Grove 1843’te, günümüz fosforik asit yakıt hücresinde kullanılanlara benzer malzemeler kullanarak ilk yakıt hücresini geliştirdi.
1955’te, General Electric şirketinde çalışan bir kimyacı olan W. Thomas Grubb, orijinal yakıt hücresi tasarımını, elektrolit olarak sülfonatlaştırılmış polisitiren iyon-değişim membranı kullanarak değiştirdi. Üç yıl sonra bir başka General Electric çalışanı olan Leonard Niedrach, hidrojenin oksidasyonu ve oksijenin edüksiyonu için katalizör görevi gören, membran üzerine platin kaplama metodunu geliştirdi. Bu hücre daha sonraları “Grubb-Niedrach yakıt hücresi” olarak bilinmeye başladı. General Electric bu teknolojiyi NASA ile birlikte daha da geliştirdi ve Gemini uzay projesinde ilk ticari yakıt hücresi kullanıldı.
1959’da İngiliz mühendis Francis Thomas Bacon 5 kW’lık durağan bir yakıt hücresi geliştirdi. Aynı yıl, Harry Ihrig liderliğindeki araştırmacılar 15 kW’lık bir yakıt hücresi yaptılar. Bu sistem elektrolit olarak potasyum hidroksit, reaksiyona giren maddeler olarak da sıkıştırılmış hidrojen ve oksijen kullanıyordu. 1959’un sonlarına doğru Bacon ve arkadaşları bir kaynak makinasını çalıştırabilen 5 kW’lık bir yakıt hücresi yaptılar. 1960’larda Bacon’ın patentleri ABD’nin uzay araştırmaları programında elektrik ve içme suyu sağlamada kullanıldı.
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
