Doğrudan elektrik üretimi
Yakıt hücresi, alışılagelmiş elektrik üretim sistemlerinin aksine, yakıtın içindeki enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilir. Bu sistemlerde yakıt ve oksitleyici (oksijen) farklı bölmelerde yer alır ve karışmaz; birleşmeleri ancak 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.
Reaksiyona girecek olanlar hücreye giriş yaparken, reaksiyon ürünleri hücreyi terk eder. Yakıt hücüleri, gerekli yakıt ve oksitleyici akışı sağlandığı sürece sonsuza dek çalışabilirler. Reaksiyona girecek maddeler sürekli tüketilmesine karşın, pillerde kapalı bir sistem içinde elektrik enerjisi kimyasal olarak depo edilmiş haldedir. Yakıt hücresinin elektrotları katalitik olup nispeten kararlıdır; pillerin elektrotları ise reaksiyona girip dolup boşaldıkça değişir.
Çalışma prensibi ve tasarım
Yakıt hücresinin çalışma prensibi kataliz temeline dayanır. Reaksiyona giren yakıtın elektron ve protonları ayrılır; elektrolit elektronik iletken olmadığı için iyonik iletkenlik gerçekleştirir. Elektronlar bir elektronik devre üzerinden akmaya zorlanır ve elektrik akımı üretilmiş olunur. Geri toplanan elektronlar protonlarla ve oksitleyici ile birleşerek atık ürünleri (su, karbon dioksit, ısı) açığa çıkarır.
Proton değişim membranlı yakıt hücresi (PDMYH) örneğinde, proton ileten bir polimer membran (elektrolit) anot ve katotu birbirinden ayırır. Anot tarafında hidrojen proton ve elektronlara ayrışır; protonlar membran üzerinden katoda ilerlerken, elektronlar membranın elektriksel olarak yalıtkan olması nedeniyle harici bir devre üzerinden akar. Oksijen molekülleri katot katalizör üzerinde elektron ve protonlarla reaksiyona girerek su oluşturur. Tipik bir PDMYH 0,6 ile 0,7 V arasında voltaj üretebilir.
Verimlilik sınırları
Bir yakıtın verimliliği, o yakıttan ne kadar güç elde edildiğine bağlıdır. Genel kural “ne kadar fazla güç (akım) çekilirse, verim o kadar düşer” şeklindedir. Kayıplar genellikle hücrede voltaj düşüşü şeklinde kendini gösterir; dolayısıyla hücrenin verimi voltajıyla orantılıdır. 0,7 V ile çalışan bir hücrenin verimi yaklaşık %50’dir; bu, hidrojenin enerji içeriğinin %50’sinin elektrik enerjisine dönüştürülebiliyor, kalan %50’sinin ısıya dönüştüğü anlamına gelir.
Yakıt hücresi ile çalışan bir taşıtın yakıt tankından tekerleğe kadar olan verimi, düşük yüklenmelerde yaklaşık %45, ortalama %36’dır. Dizel taşıtlar için karşılaştırılabilir değer %22’dir. Sıkıştırılmış hidrojenle çalışan yakıt hücresi taşıtların güç santralinden tekerleğe kadar verimi %22, hidrojen sıvı-hidrojen olarak depolanmış ise %17’dir.
Elektrokimyasal kombinasyonlar
Pek çok farklı yakıt/oksitleyici kombinasyonu mümkündür. Hidrojen hücresi, yakıt olarak hidrojen ve oksitleyici olarak oksijen kullanır. Diğer yakıtlar arasında hidrokarbonlar ve alkoller sayılabilir. Hava, klor ve klor dioksit oksitleyici olarak kullanılabilir. Bu saf hidrojen tipi yakıt hüclerine ilaveten, dizel, metanol ve kimyasal hidrürler gibi hidrokarbon yakıtlar da mevcuttur; bu tip yakıt hüclerinin atıkları karbon dioksit ve sudur.
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
