Yak

1. YAKIT HÜCRELERİ (PİLLERİ)
FUEL CELLS
Tolga DIRAZ
Kimya Mühendisi/KMO Bursa

2. YAKIT HÜCRELERİ
İçindekiler

3. YAKIT HÜCRELERİ
Nedir?
Elektrokimyasal reaksiyon/tepkimeler sonucunda
hidrojen ve oksijenin birle tirip , yan ürün olarak suş
ve ısı olu turan,ş elektrik akımı üreten cihazların
genel ismidir.
(Elektrolitik/Elektrokimyasal Hücre)

4.  Genel olarak, elektron ismindeki yüklü parçacıkların
koptuğu «Anot/Anode» ve yüklü parçacıkların toplandığı
«Katot/Cathode» olarak adlandırılan 2 metal iletken
çubuklara «Elektrotlar» sahip olurlar.
 Bu iki elektrot arasında da yüklü parçacıkların
aktarılabileceği iletken bir ortam (katı,sıvı veya gaz) olur.
(elektrolit)
 Elektrotlar arasındaki Potansiyel fark (Voltaj) nedeniyle,
bir elektrottan diğerine -iletken ortamdan geçerek-
elektron akışı olur ve devre tamamlanır.
(Aynı tuzlu suyun tuzsuz suya doğru akması gibi)
YAKIT HÜCRELERİ
Nasıl çalışır?

5. YAKIT HÜCRELERİ
Nasıl çalışır?
 Yakıt pili aslında, tek bir hücrenin
diğerleri ile biraraya gelerek «Pil Yığını»
olarak birarada çalışma prensibi ile
yüksek enerji edilebilmektedir.

6. YAKIT HÜCRELERİ
Farklı Tipleri
KATI OKSİT
(Solid Oxide Fuel Cells - SOFC)
ALKALİ
(Alkaline Fuel Cell - AFC)
ERİMİŞ KARBOMAT
(Molten Carbonate fuel cells- MCFC)
FOSFORİK ASİT
(Phosphoric Acid fuel cells - PAFC)
PROTON DEĞİŞİM MEMBRANLI
(Proton Exchange Membrane - PEM)

7.  Geliştirilen ilk yakıt pili tipi
 Ağırlıklı olarak Askeri ve uzay programlarında kullanılır
 Verimi %70 kadar ulaşır fakat taşıt uygulamalari için pahalı bulunmaktadır
 NASA uzay programlarında geniş kullanım (Apollo uzay programındaki uzay
araçlarında elektrik ve içme suyu sağlamak için kullanılmıştır.
 Elektrolit olarak sulu potasyum hidroksit çözeltisi kullanılır ve 75 -160 derecede
çalışır
 Karbon kirliliğine duyarlı olduğundan Saf hidrojen ve oksijen gerektirir.
 Hidrojen ve oksijen arıtma işlemi oldukça pahalıdır.
 Elektrolit olarak %30’luk KOH kullanılan bir hücrede 200°C sıcaklık ve 45 atm basınçta
800 mA/cm2'de 0.78 V hücre voltajı
YAKIT HÜCRELERİ
ALKALİ (AFC)

8.  Elektrolit olarak sert, gözeneksiz seramik
bileşiği (ZrO2 )kullanılır
 Çok yüksek sıcaklıklarda çalışır - 1800
derece
 Genellikle endüstriyel uygulamalarda
kullanılmaktadır ve verimleri % 50–60
civarındadır. Kojeneratif uygulamalar
halinde ise verimde % 80–85 seviyelerine
ulaşılmaktadır.
 Yüksek çalışma sıcaklıkları gerektiğinden
endüstriyel elektrik santrallerinde kullanılır
 Çalışma sıcaklıkları: 900-1000 °C
YAKIT HÜCRELERİ
KATI OKSİT (Solid Oxide Fuel Cells - SOFC)

9.  Elektroliti; lityum, sodyum vepotasyum karbonatların
kombinasyonundan oluşur.
 Daha çok yakıt olarak doğal gaz kullanılır ve özellikle
enerji santrali, endüstriyel ve askeri uygulamalarda
tercih edilir.
 İşletildikleri yüksek sıcaklıklar ve kullanılan korozyon
özelliğine sahip elektrolit, bileşenlerin bozulmasını ve
korozyonunu hızlandırmakta ve hücre ömrünü
kısaltmaktadır.
 Çalışma sıcaklığı 600°C-700°C aralığındadır.
 Verimleri normal koşullarda % 60’lara ulaşmaktadır.
Kojeneratif uygulamalar halinde ise bu % 80’lere
çıkabilmektedir.
 Yakıt olarak hidrojen, karbon monoksit, doğal gaz, çöp gazı
kullanılabilir
YAKIT HÜCRELERİ
ERİMİŞ KARBOMAT (SOFCMolten Carbonate fuel cells- MCFC )

10.  Ticari olarak en çok geliştirilen yakıt pili
 Elektrolit olarak sıvı fosforik asit çözeltisi, katalizör
olarak ise genellikle platinyum kullanılır.
 Çoğunlukla sabit güç üretiminde kullanılırlar. Bazı taşıt
uygulamalarında da kullanımı söz konusudur.
 Tipik çalışma sıcaklığı 150°C-220°C aralığındadır.
 Bir önemli avantajı yakıt olarak saf olmıyan hidrojen
kullanılabilir
 Halihazırda ticari kullanım bakımından (AFC’den sonra)
ikinci sıradadırlar.
YAKIT HÜCRELERİ
FOSFORİK ASİT(Phosphoric Acid fuel cells - PAFC)

11.  Bu tür otomobillerde yaygın olarak kullanılır
 Elektrolit olarak polimer membran kullanılır
 İlk PEM General Electric tarafından 1960’larda NASA için
geliştirilmiştir.
 Bir katı polimer elektrolit membran iki platin katalizörlü
gözenekli elektrolit arasına yerleştirilmektedir.
 Diğer yakıt pillerine göre daha fazla güç yoğunluğu,
düşük hacim ve düşük ağırlığa sahiptir.
 Çalışma sıcaklıkları 100°C’in altında olup genellikle 60-
80°C aralığındadır.
 Enerji yoğunluğu yüksektir, enerji çıkışını hızlı
değiştirebilir ve başlangıcı hızlıdır bu yüzden
otomobillerde kullanımı yaygındır
YAKIT HÜCRELERİ
PROTON DEĞİŞİM MEMBRANLI
(Proton Exchange Membrane - PEM)

12. YAKIT HÜCRELERİ
Farklı Tipleri

13.  Ulaştırma (Taşıtlar)
 Otobüs, tren, otomobil ve denizaltı gibi
taşıt uygulamaları da mevcuttur
 Hidrojen Güç Santralleri
 Japonya, Avustralya ve AB ülkeleri ,
ABD ve Güney Kore’de mevcut:
http://news.nationalgeographic.com/news/energy/2014/04/140403-fuel-cells-hydrogen-wal-mart-stationary
/
 Savunma
 Roket ve uçaklar
• Kişisel ve Evsel
• Cep telefonu, Bilgisayar,
YAKIT HÜCRELERİ
Nerelerde kullanılabilir?

14. YAKIT HÜCRELERİ
Nerelerde kullanılabilir?

15.  Yakıt hücreleri Petrol ve Gazlı sistemlere göre daha yüksek verimlilik
değerlerine ulaşabiliyor. Örneğin, sadece 5 kilo Hidrojen ile orta
büyüklükteki bir sedan otomobil ile 500 KM yol yapılabiliyor. (500 KM
için yaklaşık 30-35 litre benzin, 20-25 litre dizel gerek)
 Yanma yok; bu nedenle yanma reaksiyonları nedeniyle oluşabilecek
zehirli yanma yan ürünleri (karbondioksit,karbonmonoksit, azot-oksitler
gibi) yok. Dolayısıyla hava kirliliğine çözüm olarak gösteriliyor!
 Oluşabilecek atık ısı verimi arttırmak için kullanılabiliyor. (Kojenerasyon)
 Özellikle yüksek sıcaklıklarda çalışan yakıt hücreleri, elektrik ile birlikte
yüksek dereceli proses ısıları üreteceği için, konut ve işyerleri için ısınma
amaçlı hizmet verebilir.
 Çoğu yakıt hücreleri, içten yanmalı motorlara göre çok daha sessiz
çalışırlar!
YAKIT HÜCRELERİ
Avantajlar?

16. Eğer Hidrojen suyu yenilebilir enerji kaynağı olan suyun
elektrolizinden elde edilirse, tüm doğa çevrimindeki Sera
gazı etkileri elimine edilebilir.
 Çalışması için Petrol veya gaz gibi yakıtlara ihtiyaç
olmadığı için, yurtdışına bağımlılığımız azalarak Enerji
Güvenliğimizi garanti altına alabilir.
Hidrojen suyun ve bir güç kaynağının olduğu her yerde
üretilebildiği için, yakıt tedariki herhangi bir tekele muhtaç
durumda olmayacağız.
 Gelenekse Enerji Santralleri verimli olabilmek için büyük
ölçülerde inşa edilmektedir. Aksine, Yakıt Hücreleri/Pilleri
her türlü ihtiyaç (Elektrik elde etme, ısınma veya ulaşım
amaçlı) küçük ve seyyar şekilde hızlıca kurulup,
gerektiğinde başka yerlere de taşınabilir.
YAKIT HÜCRELERİ
Avantajlar?

17.  Operasyon süresi normal pillere göre çok daha
uzun, zira operasyon sürelerini iki katına
çıkarmak için sadece yakıtı iki katına çıkarmak
yeterli! (normal pillerde ünitenin kapasitesini
de iki katına çıkarmak gerekiyor. )
 Normal pillerin aksine, yakıt hücreleri/pillerde
tekrar dolum yaparken"hafıza etkisi" yok.
 Bakımları kolay zira az sayıda hareketli parçaya
sahipler.
 Normal pilleri kullandıktan sonra içerdiği
kimyasallar nedeniyle (kurşun, lityum ve
kadmiyum vb.) tehlikeli atık olarak uygun
şekilde bertaraf edilmesi gerekiyor. Ancak Yakıt
Hücreleri/Pillerinde tehlikeli atık üretilmez ve
teorik olarak kesintisiz elektrik üretebilir.
YAKIT HÜCRELERİ
Avantajlar?

18. YAKIT HÜCRELERİ
Dezavantajlar?
 Hidrojen yakıt hücrelerinin içinde bulundukları en büyük
engel, şuanda üretilmek için çok pahalı olmaları. Bugün
itibarı ile, ürettikleri enerji ile yatırım için gerekli maliyet
uzun yıllar sonra çıkarılabilmektedir.
 Ancak, teknolojinin ilerlemesine paralel olarak maliyetler
düşmektedir.Aynı ilk bilgisayar ve tabletler gibi, yakıt
hücreleri de -seri üretim ile- son kullanıcının bütçesine uygun
hale geleceği öngörülmnektedir. Şuanda bir geçiş
dönemindeyiz; dünya üzerinde farklı ülkelerde milyonlarca
dolar harcayarak seri üretimi ucuzlatma ve yeni pazarlar
oluşturmak için ARGE çalışmalarını sürdürmektedir.

19. YAKIT HÜCRELERİ
Dezavantajlar?
Şuanda, Hidrojen tedariği altyapısı (istasyonlar,
depolama alanları gibi) henüz yeterli seviyede
değildir, ancak bu konuda da hızlı gelişmeler
yaşanmaktadır.
Araçüstü depolama ve çevrim çözümleri henüz
emekleme aşamasında, ancak bu konularda da
büyük ilerlemeler kaydedilmektedir.

20.  Hidrojen zehirli olmayabilir ancak kesinlikle
YANICI bir gazdır. Yakıt olarak kullanacak bu
gaz ateş almaya hatta patlamaya uygundur.
 Depolanmasında bazı sıkıntılar var! Normal
oda sıcaklıklarında depolanabilmesi için özel
bazı ekipmanlar ve kimyasallara (metal-hydride
absorber veya karbon absorber gibi) ihtiyaç
vardır ve bu teknolojiler şuan itibarı ile
pahalıdır.
 (0,5 ila 1 V) STACK/YIĞIN halinde üretilmesi
gerekiyor.
YAKIT HÜCRELERİ
Dezavantajlar?

21. YAKIT HÜCRELERİ
İlginç gerçekler..!
 Yılda 38 milyon litre Hidrojen üretiliyor!
ABD’de üretilen bunun yaklaşık yarı 19,8
milyon
 2010 Kış Olimpiyatlarında Hidrojen Yakıt
Hücreli otobüsler kullanılarak turistler ve
sporcular taşınmıştır
 Hidrojen havadan 14 kez hafiftir..
 NASA, yakıt hücre/pillerinin ünlü
destekçişi… Uzay taşıtlarına güç sağlamak
için kullanıyorlar.
 Günümüzde Hidrojen gücü en çok petrolü
rafine etmek için kullanılıyor.

22. YAKIT HÜCRELERİ
İlginç gerçekler..!
Toyota yaklaşık 20 yıldır
Hidrojen Yakıt Hücreli/Pilli
otomobiller üretiyor. Honda,
Hyundai, Nissan, Ford, BMW ve
Mercedes de diğer firmalar…
 Boeing, Lange Aviation, ve
Alman Havacılık Merkesi bu
konuda çalışmalarını sürdürüyor.
1kilo Hidrojen yaklaşık 1 galon
benzin ile aynı enerjiyi veriyor.

23. YAKIT HÜCRELERİ
İlginç gerçekler..!
 Hidrojen ismi 1783’te verilmiş. Bu ismi
(Hydrogen) Yunancadan gelme… Hydro
(Su) + Genes (Yaratıcı)
 California,ABD’de şu anda 10 aktif
«Gösterim Hidrojen Yakıt İstasyonu»
bulunmaktadır. 2016 yılında bu sayının 40’ı
bulması beklenmektedir. (Devlet hedefi
100 istasyon)
 ABD’nin kuzeydoğu koridorundaki
şehirlerini birbirine bağlağan bir «Hidrojen
Çevreyolu» inşa edilmektedir, ki bu yol
New York, New Jersey, Massachusetts,
Connecticut and Rhode Island gibi 12
stratejik eyaleti birbirine bağlayacaktır.

24. YAKIT HÜCRELERİ
İlginç gerçekler..!
Toyota yaklaşık 1,5 milyon test
km ile yakıt pillerini test ediyor.
(Sıfırın altında derecelerden 50
dereceleri bulan sıcaklarda)
Bir yakıt hücresi/pili -yenisi
yerine koyulmadan- min. 5,000
saat veya 200,000 km
dayanması beklenir.
Hidrojeni depolayan tanklar
yaklaşık 10,000 psi basınçlıdır.

25. YAKIT HÜCRELERİ
İlginç gerçekler..!
 Almanya 2015 yılında 50 istasyona sahip…2020
itibarı ile 100 adete ulaşma hedefleri var.
 Japonya,ciddi devlet desteği ile, mevcut 17
istasyonu 2016 yılı içerisinde 100’den fazla
adete çıkarmayı planlıyor.
 Kore, 2020 yılı itibarı ile 160 adetten fazla
istasyona ulaşmayı hedefliyor.
 2015 itibarı ile 15 olan istasyon sayısını, 2020’e
kadar 65’e çıkarmayı hedefliyor.
 Danimarka, mevcut rüzgar enerjisi politikasına
ek olarak, 2020 yılına kadar 15 adet Hidrojen
Yakıt İstasyonu istasyon kurmayı planlıyor.
Dünya üzerindeki Hidrojen Dolum Tesisleri:
http://www.netinform.net/h2/H2Stations/Default.aspx

26. YAKIT HÜCRELERİ
İlginç gerçekler..!
2013 yılında 2012 yılına göre
%24’lük ve 2008 yılına göre
%244’lük bir artış ile 150 MW
kurulu güç üretilip ilgili yerlere
gönderilmiş.
2013 yılında yakıt hücre
endüstrisi hacmi 1 milyar USD’yi
aşarak 1,3 milyar USD’e ulaşmış.
Güneş ve Rüzgar Enerjisinin
normalde kaybedilecek fazlalığını
Hidrojen Yakıt Hücrelerinde
depolanabilir.

27.  Yaşayan organizmaların ağırlığının yaklaşık
%10’u Hidrojenden oluşmaktadır – ki
bunların çoğunluğu su, proteinler ve
yağlardır.
 Hidrojen yüksel basınç ve oldukça düşük
sıcaklıklarda 20.28 kelvin (−252.87°C) SIVI
hale getirebilir. Hidrojen, sıvı hali gaz haline
göre daha az yer kaplayacağı için bu şekilde
depolanmaktadır. Sıvı Hidrojen aynı
zamanda ROKET yakıtı olarak da
kullanılmaktadır.
 Hidrojen, dünyamızdaki atmosferik basıncın
500 bin katı ile sıkıştırabilir ise, Hidrojen katı
bir metal haline dönüşüyor.
YAKIT HÜCRELERİ
İlginç gerçekler..!

28. YAKIT HÜCRELERİ
Uluslararası Kurum ve Kuruluşlardan Bazıları
Fuel Cell & Hydrogen Energy
Association
http://www.fchea.org/
International Association for Hydrogen
Energy
http://www.iahe.org
International Partnership for Hydrogen
and Fuel Cells in the Economy
http://www.iphe.net/

29. Scottish Fuel Cell & Hydrogen Energy
Association
http://www.shfca.org.uk/
UK Hydrogen and Fuel Association
http://www.ukhfca.co.uk/
French Hydrogen and Fuel Cells Association
(AFHYPAC)
http://www.afhypac.org/
YAKIT HÜCRELERİ
Uluslararası Kurum ve Kuruluşlardan Bazıları

30. YAKIT HÜCRELERİ
Uluslararası Kurum ve Kuruluşlardan Bazıları
German Hydrogen and Fuel Cell
Association!
http://www.dwv-info.de/
Korean Hydrogen & New Energy
Association
http://www.hydrogen.or.kr/
 Hydrogen Energy System Society of Japan
http://www.hess.jp/

31. YAKIT HÜCRELERİ
Uluslararası Kurum ve Kuruluşlardan Bazıları
Canadian Hydrogen and Fuel Cell
Association
http://www.chfca.ca/
European Hydrogen and Fuel Cell
Technology Platform
http://www.fch.europa.eu/
Hydrogen Europe
http://hydrogeneurope.eu/