Yakıt Pilleri

Sevil Çınar İncir / Akışkanlar Dinamiği Analizleri Mühendisi / FİGES
Ali Murat Soydan / Yüksek Mühendis / Gebze Yük. Tekn. Enstitüsü

Yakıt Pilleri

Yerleşmiş enerji üretim yöntemlerinin kullanımı ve geliştirilmesi ile geçen bir yüz yılın ardından, enerji piyasasının talepleri doğrultusunda, yeni teknolojiler ve alternatif çözümler üretilmeye başlanmıştır. Bu talepler; enerjinin daha güvenilir, daha ucuz ve daha kaliteli olması ile birlikte, daha çevreci olması yönündedir. İçten yanmalı motorların aksine, yüzde 95’e varan verimlerle çalışabilen ve çevre dostu hidrojen enerjisini kullanan yakıt hücreleri, günümüzün en popüler çalışma konularından biridir.

Sürekli olarak çalışabilen bir batarya sistemine benzeyen yakıt hücreleri, bataryada olduğu gibi anot ve katottan oluşan iki elektrota ve bunları ayıran bir elektrolite sahiptir. Bataryalarda, indirgeme ve oksitleme reaksiyonlarında kullanılan kimyasal maddeler, aynı yerde bulunmakta ve aynı anda reaksiyona sokulmaktadır. Elektrokimyasal bir enerji çevrim aracı olan yakıt pillerinde, reaktanlar sürekli olarak reaksiyon bölgesine akış yolu ile beslenir. Böylelikle, kullanılan yakıtın enerjisi, klasik bataryalardan daha verimli bir şekilde, doğrudan elektrik enerjisine çevrilir. Yakıt hücresinin çalışma prensibi, kataliz temeline dayanır;

Bir diğer katalitik prosesle de geri toplanan elektronlar, protonlarla ve oksitleyici ile birleşerek atık ürünler açığa çıkar.

Yakıt pillerinde en çok kullanılan yakıt hidrojendir. Bunun yanında, doğalgaz gibi hidrokarbonlar ve metanol gibi alkoller de yakıt olarak kullanılabilir. Klasik bataryalarda olduğu gibi tek kullanımlık veya şarj edilmesi gereken metal reaktanlar yerine, harici hidrojen ya da oksijen kullanması, yakıt hücrelerinin önemli bir artısıdır. Böylelikle yakıtla desteklendiği sürece, yakıt hücresinden elektrik enerjisi sürekli olarak elde edilebilir. Klasik bataryalarda ilk olarak gerçekleşen yanma reaksiyonunun verimi, üretilen elektrik enerjisinin verimini doğrudan etkilerken, yakıt hücrelerinde doğrudan elektrik enerjisi üretildiğinden, yanma aşamasındaki kayıplar yakıt hücreleri için önemli değildir.

Sessiz ve modüler yapıları, düşük emisyonları ve yüksek verimleri ile yakıt hücreleri, genel olarak ulaşım sektöründe, elektriğini ve ısısını kendi üreten binalarda (combined heat & power / CHP), uzayda elektrik ve su üretmek amacıyla ve savunma sanayisinde kullanılan sensörlere ve diğer elektronik ünitelere güç sağlamak amacıyla kendisine kullanım alanı bulmaktadır. Bir yakıt hücresinde depolanabilen yakıt miktarı, aynı kütledeki veya hacimdeki bir bataryanınkinden birkaç kat daha fazla olduğundan, gelecekte yakıt hücrelerinin küçüleceği ve çok daha fazla alanda kullanılabileceği tahmini kolaylıkla yapılabilir.
Yakıt hücreleri, kullanılan yakıt ve çalışma sıcaklıklarına bağlı olarak 5 türdür:

Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü (GYTE) Nano Teknoloji Araştırmaları Merkezi ve Kalekalıp bünyesinde, Ali Murat Soydan’ın doktora tezi kapsamında yapılan ortak çalışmada, GYTE tarafından tasarlanan yakıt pillerinin (SOFC) akışkanlar dinamiği analizleri, FİGES tarafından gerçekleştirilmiştir. Bataryalar yerine geçebilecek olan askeri güç ünitelerinin tasarlanıp üretilmesini hedefleyen bu projede, yapılan modelleme çalışmasının amacı, yakıt pilini hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleriyle modelleyip optimizasyon çalışmalarının gerçekleştirilmesiydi.Yakıt pili malzemeleri ve üretim yöntemleri yüksek maliyetlere sahip olduklarından, bilgisayar ortamında simülasyonlarının gerçekleştirilmesi maddi açıdan kar sağlamaktadır.

GYTE tarafından tasarlanan yakıt pillerinin simülasyonlarına geçilmeden önce, doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Yapılan bu çalışmada kullanılan geometri, Şekil 1’de gösterilmektedir. Analizler, ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Anot ve katot elektrotlarının arasında elektrolit bulunmaktadır. SOFC modellenirken, elektrolit yüzey olarak modellenmektedir. Yakıt olarak hidrojen kullanılmıştır. Reaksiyona giren yakıtın elektron ve protonları ayrılır ve elektrolit iletken olmadığından, elektronlar akım toplayıcılarda toplanarak elektronik bir devre üzerinden akmaya zorlanır. Böylece elektrik akımı üretilmiş olur.

Şekil 1. Yakıt pili katı modeli.
Fluent’te yapılan simülasyonun sonuçları, Şekil 2 ve Şekil 3’te görülmektedir.

Şekil 2. Elektrolit yüzeyindeki statik sıcaklık dağılımı
Yakıt pillerinde, akım yoğunluğu artarken elektrik potansiyelinin de artması gerekir. Yapılan analizde, bunun doğrulandığını görülebilmektedir. Elektrolit yüzeyi üzerindeki akım yoğunluğu, elektrik potansiyeli ve sıcaklık dağılımlarına bakıldığında, akım yoğunluğu ve elektrik potansiyeli girişten çıkışa doğru azalırken, sıcaklık artış göstermektedir.

(a) Contours of Electric Potential (V)

(b) Contours of Interface Current Density (A/m2)
Yüksek sıcaklık ve düşük akım yoğunluğundan dolayı optimum bir tasarım için buradaki yakıt pilinin boyunun kısaltılması gerekir.

Kaynaklar:
  • Ahmad K. Sleiti, Performance of tubular Solid Oxide Fuel Cell at reduced temperature and cathode porosity, Journal of Power Sources, 2010
  • Michael T. Prinkey, Solid Oxide Fuel Cell Modeling with FLUENT, 2003
  • S.L. Puthran, 3-Dimensional Computational Fluid Dynamics Modeling of Solid Oxide Fuel Cell Using Different Fuels, 2011
  • R. Suwanwarangkul, E. Croiset, Mechanistic modelling of a cathode-supported tubular solid oxide fuel cell, 2005
  • ANSYS FLUENT 12.0, Fuel Cells Module Manual
  • Fuel Cells, M.A. Laughton, Engineering Science and Educational Journal - Febuary 2002
  • http://cafcp.org/faq/what-difference-between-fuel-cell-and-battery
Şekil 3.  (a) Elektrolit yüzeyindeki elektrik potansiyeli dağılımı, (b) Elektrolit yüzeyindeki akım
yoğunluğu dağılımı