Yakıt Hücresinde Yük ve Voltaj İlişkisi
Bir yakıt hücresinde, dışarıdan sağlanan yakıt (anot tarafı) ve oksitleyici (katot tarafı) ile elektrik üretilir. Bu yakıt ve oksitleyici bir elektrolit/elektrot ünitesinde reaksiyona girer. Yakıt hücüleri, gerekli yakıt ve oksitleyici akışı sağlandığı sürece sonsuza dek çalışabilirler. Tipik bir proton değişim membranlı yakıt hücresi (PDMYH) 0,6 ile 0,7 V arasında voltaj üretebilir.
Değişik faktörler nedeniyle akım arttıkça voltaj azalır. Bu voltaj düşüşü üç farklı nedenden kaynaklanır. Aktivasyon kayıpları, hücre bileşenleri ve iç bağlantıların direnci nedeniyle voltaj düşüşü ve kütle taşınım kayıpları (reaksiyona giren bileşenlerin katalizör yüzeyinde azalması nedeniyle voltaj düşüşü) bu düşüşü oluşturan faktörlerdir.
Yük Artışının Verim Üzerindeki Etkisi
Bir yakıtın verimliliği, o yakıttan ne kadar güç elde edildiğine bağlıdır. Daha çok güç eldesi demek, daha fazla akım çekmek anlamına gelir ki bu da aslında o yakıt hücresindeki kayıpları arttırır. 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.
Bu nedenle, yakıt hüclerinin polarizasyon eğrileri (akım-potansiyel diyagramları) hücre hakkında önemli bir göstergedir. 0,7 V ile çalışan bir hücrenin verimi yaklaşık %50’dir. Bu, hidrojenin enerji içeriğinin %50’si elektrik enerjisine dönüştürülebiliyor, kalan %50’si ise ısıya dönüşüyor demektir. Yakıt hücresi tasarımına göre, bir miktar yakıt reaksiyona girmeden de hücreyi terk ediyor olabilir ki bu da ilâve kayıplar demektir.
Verim Hesaplaması
Standart şartlarda çalışan ve herhangi bir yakıt kaçağı olmayan bir yakıt hücresinde verim, reaksiyonun entlopisi esasına dayanmak üzere, hücre voltajının 1,48 ile bölünmesi yoluyla hesaplanabilir. Aynı hücre için, termodinamiğin ikinci kanununa dayanan verim gereği, voltaj 1,23 ile bölünebilir. Bu voltaj, kullanılan yakıt ve hücrenin kalitesi ve sıcaklığı ile değişebilir.
Bu rakamlar arasındaki fark, reaksiyonun entlopisi ile Gibbs serbest enerjisi arasındaki farktır. Bu fark her zaman ısı olarak ve bir miktar da elektriksel dönüşüm veriminde kayıplar olarak ortaya çıkar.
Uygulamada Yük ve Verim
Yakıt olarak oksijen yerine hava kullanıldığında, havanın sıkıştırılması ve nem eklemesi gibi, verimi düşüren ilave kayıplar da olacaktır. Öte yandan yakıt hücüleri, aşırı yüklenmelerde daha düşük verimle çalışırlar.
Yakıt hücüresi ile çalışan bir taşıtın, yakıt tankından tekerleğe kadar olan verimi, düşük yüklenmelerde yaklaşık %45, ortalama %36’dır. Dizel taşıtlar için karşılaştırılabilir değer %22’dir. Üretim, taşınım ve depolamanın da hesaplamalara dahil edilmesi gerekir. Sıkıştırılmış hidrojenle çalışan yakıt hücüresi taşıtların, güç santralinden tekerleğe kadar olan verimi %22, eğer hidrojen sıvı-hidrojen olarak depolanmış ise %17’dir.
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
