Kimmuh.com

GİRİŞ
Enerji,
insanoğlunun dünyadaki birincil ve ikincil ihtiyaçlarını karşılamada
gereksinim duyduğu en önemli olgudur. Bu gereksinim günümüze kadar
farklı kaynaklardan karşılanmıştır. Son yüz-yüz elli yılı dikkate
aldığımızda ise; kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil kökenli yakıtlar
bu ihtiyaçta temel kaynak rolünü üstlenmişlerdir.

Dünyadaki
enerji ihtiyacı; nüfus artışı, sanayileşme ve yeni ihtiyaç portföyü ile
hızla artmaktadır. Buna karşın günümüz dünyasının temel enerji kaynağı
olan fosil yakıtlarda artış olamamakta, yani kaynakların ihtiyacı
karşılayamadığı bir noktaya doğru gidilmektedir[1]. Bütün bu nedenler,
yeni enerji kaynakları gereksinimini doğurmaktadır. Yani alternatif
enerjiler arayışı, kaçınılmaz hale gelmektedir.

Alternatif
enerji kaynaklarına geçişteki en önemli neden fosil yakıtların sınırlı
olması yanında, ekolojik çevreye verdikleri telafisi güç zararlardır.
Fosil yakıtların kullanımı ile birlikte yerkürenin ortalama sıcaklığı
500 bin yılın en yüksek seviyesine ulaşmıştır[1]. Bu ise son yıllarda
yoğun hava kirliliği, sel, fırtına ve doğal afetlerin artışında etkili
olmakta, yükselen yerküre ortalama sıcaklığı ile beraber buzullarda
erimeler oluşmaktadır. Yani çevresel faktörler de alternatif yakıtlar
gündeme taşımaktadır.

Alternatif
enerji kaynakları uzun süredir bilim adamlarının gündeminde yer
almaktadır. Özellikle çevreye zararı en az, yenilenebilir ve düşük
maliyetli olması alternatif bir enerji kaynağının taşıması gereken
belli başlı niteliklerdir. Bu anlamda bugüne kadar; güneş, rüzgar,
hidrolik, hidrojen, biokütle, jeotermal ve okyanus termal enerjisi vb.
gibi alternatif enerjilere yönelmiştir. Elbette ki bu kaynakların
tamamı şartlar çerçevesinde önem taşımaktadır. Yani; verimlilik, düşük
maliyet, amaca uygunluk gibi kriterleri optimize eden çözüm, bu
şartları oluşturur. Bu anlamda hidrojen enerjisi; yani hidrojen
kaynaklı enerjide bu alternatiflerden birisini oluşturmaktadır.

Ulaşımın
baş aktörü, taşıtlarda kullanılan enerji de bugüne değin hemen hemen
tamamen fosil yakıtlardan karşılanmıştır. Yani taşıtlarda da alternatif
yakıt zorunluluğu doğmaktadır. Bu amaçla taşıtlarda elektrik, güneş,
hidrojen enerjisi kullanımına yönelik araştırma çalışmalar tüm dünyada
sürdürülmektedir. Yapılan çalışmalarda hibrid taşıtlar, bu yeni
teknolojilerin adapte edilmesi sürecinde bir aracı rolü üstlenebilir
görünmektedir. Bu amaçla tüm dünyada büyük otomotiv firmaları yoğun
AR-GE, prototip üretim ve hatta seri üretim amaçlı perspektifler ortaya
koymaktadırlar. Bu çalışma ve projeler arasında hidrojen de önemli bir
yer tutmaktadır. Bundaki en önemli neden ise bir enerji kaynağı olarak
hidrojenin sınırsız ve temiz olmasıdır. Yerkürenin 3/4’ünü oluşturan
suda ve birçok gezegende bulunan hidrojenin, oksijenle yakılması sonucu
su oluşur. Bu hidrojene temiz bir yakıt olma, sudan elektroliz metodu
ile ayrıştırılabilmesi ise tersinir olma niteliği kazandırır.

Hidrojenin
yakıt olarak kullanımı düşüncesi 19. yüzyılın başına kadar uzanır.
Fakat bu düşünce, 1974 yılında ABD Florida’da Miami Üniversitesi Temiz
Enerji Enstitüsü tarafından düzenlenen “Hidrojen Ekonomisi Miami Enerji
Konferansı” (THEME) ile bilimsel platforma taşınmıştır. Sonrasında ise
“Uluslararası Hidrojen Birliği” (IHEA) kurulmuştur. Bu birliğin
kurulmasının ardından, bazı ülkeler de ulusal hidrojen örgütlerini
oluşturmuşlar; böylelikle hidrojen üzerine yapılan çalışmalar destek
bularak hız kazanmıştır. İstanbul’da Uluslararası Hidrojen Enerjisi
Teknolojileri Merkezi’nin (ICHET) kurulmasına ilişkin anlaşma, Türkiye
Cumhuriyeti hükümeti ile Birleşmiş Milletler Sınai Kalkınma Örgütü
(UNIDO) arasında, Ekim 2003 tarihinde imzalanmıştır[2]. Günümüze kadar
özellikle uzay araçlarındaki motorlarda yakıt olarak kullanılan
hidrojen, bugün aynı niteliğini diğer ulaşım araçlarına da taşıma
yolundadır. Bu amaçla özellikle otomotiv sektörünün önde gelen
kuruluşlarınca, hidrojenin araçlarda yakıt olarak kullanımı konusunda
araştırma ve geliştirmeler sürdürülmektedir. Bu çerçevede geleneksel
(içten yanmalı) motorlar/taşıtlar ve daha da ötesinde modern (yakıt
pilli) motorlar/taşıtlar üzerinde

yoğun
bir biçimde çalışılmaktadır. Yani çalışmaların geleneksel ayağı;
hidrojenin içten yanmalı motorlarda tıpkı benzin, dizel yakıtı, LPG,
CNG ya da kerosen gibi yakılmasıdır. Modern ayağını ise; direkt güç
üretim sistemi olan yakıt pili (yakıt hücresi) oluşturmaktadır. Bu yeni
güç üretim sisteminde klasik sistemdeki yakıt kimyasal-ısı-mekanik
enerji dönüşüm süreci yerini, yakıt kimyasal-elektrik-mekanik enerji
almaktadır. Bu çalışmada direkt hidrojenin kullanıldığı yakıt pilli
motor teknolojisi konu edilmiştir. Fosil yakıtların kullanıldığı yakıt
pili sistemi de dizayn edilebilmektedir. Fakat taşıt uygulamalarında
(metanol hariç) dizayn güçlükleri nedeni ile pek tercih edilmemektedir.
Hidrojenden enerji dönüşümü çalışmaları; hidrojenin elde edilmesi
(üretilmesi) ve depolanması üzerine yapılan çalışmalarla bağlantılı
yürütülmektedir.

HİDROJEN

Hidrojenin Genel Özellikleri
Doğadaki en hafif element olan hidrojen, 1766 yılında İngiliz bilim adamı Sir Cavendish tarafından keşfedilmiştir.

Renksiz,
kokusuz, tatsız ve saydam bir yapı sergileyen hidrojen periyodik
tabloda “H” sembolü ile ifade edilir. Atom ağırlığı 1,00797 kg/kmol ve
atom sayısı 1 olan elementtir. Hafif olması nedeniyle (0 °C ve atmosfer şartlarında 1 litre
hidrojen 0,0898 gr kütlededir.) yeryüzünde serbest halde çok az
bulunur. Hidrojen sıvılaştırılması oldukça güç olan bir elementtir.
Yaklaşık olarak 20 K sıcaklık ve 2 bar basınçta sıvı faza geçer [4].
Oldukça iyi bir ısıl iletkendir. (Hidrojenin genel özellikleri- Tablo 1)

Yakıt Olarak Hidrojen
Özellikle
içten yanmalı motorlar için büyük önem taşıyan yakıtların bazı
özelliklere sahip olması istenir. Bu özellikler idealize edilecek
olursa şöyle sıralanabilir:

• Kolaylıkla ve güvenli olarak her yere taşınabilmeli
• Her yerde (sanayide, evlerde, taşıtlarda) kullanılabilmeli, depolanabilmeli
• Birim kütle başına yüksek ısıl değerde, temiz, güvenli, hafif olmak
• Isı, elektrik ve mekanik enerjiye kolaylıkla dönüşebilmeli
• Yüksek verimle enerji üretilebilmeli ve ekonomik olmalı

İdeal
şartlarda yukarıdaki özellikler istenir. Gerçekte bu özelliklerin
tamamına sahip bir yakıt yoktur. Fakat denilebilir ki hidrojen bu
kategoriye en uygun olan yakıttır.

Hidrojen
çok hafif bir gaz olması nedeniyle herhangi bir olağanüstü durumda
ortamdan uzaklaşır ve tehlike riskini azaltır. Uygun şartlar
sağlandığında sıvı ve gaz fazında depolanabileceği gibi tankerler ve
boru hatlarıyla da sevk edilebilecek bir yakıttır. (Hidrojen ve diğer
yakıtlarla karşılaştırılması-Tablo 2.)

Hidrojenin kimyasal yapısı itibariyle karbon ve kükürt içermemesi, zararlı atıklar olarak bilinen CO CO2 ve SO2 oluşumunu da önler. Yalnızca havada yer alan azot nedeniyle NOx oluşumu söz konusu olmaktadır.

Geniş
bir aralıkta tutuşabilir olması, geniş bir aralıkta düzgün olarak
yanmasını sağlar. (HFK 0,15-4,35 değerlerine çıkmaktadır.) Hidrojende
NOx oluşumunu minimum düzeye indirebilmek için fakir karışımda bir
yanma sağlanabilir. Hidrojenin yüksek bir alev hızına sahip olması,
ideale yakın bir yanma sağlayarak ısıl verimi arttırır. Düşük alev
parlaklığı ile yanıyor olması, radyasyon yolu ile gerçekleşen ısı
transferini de azaltacaktır.

Hidrojenin en yüksek yanma sıcaklığı olan 2318°C’ye, % 29 hacimsel hidrojen/hava karışım oranında ulaşılır.

Şayet oksitleyici olarak hava yerine oksijen kullanılırsa bu değer, 3000 °C’ye çıkar ki; bu sıcaklık değeri bugünkü yakıtlarda da yaklaşık bu seviyededir[5].

Hidrojenin
kendiliğinden tutuşma sıcaklığı yüksektir. Buna karşın, hidrojen-hava
karışımlarının tutuşturulabilmesi için gerekli enerji miktarı diğer
yakıtlara oranla oldukça düşüktür. Kütlesel olarak bakıldığında ısıl
değerce rakipsiz denilebilecek hidrojen, hacimsel olarak oldukça düşük
ısıl değerdedir.

HİDROJENİN ÜRETİLMESİ
Hidrojen
doğada saf halde bulunmaz. Bu nedenle çeşitli bileşiklerden
ayrıştırılması gerekir. Bu anlamda temel olarak hidrojenin; mevcut
fosil yakıtlardan, biokütleden ve elektroliz yöntemiyle sudan üretimi
üzerinde çalışılmaktadır. Günümüzde en çok kullanılan yöntem, hafif
karbonların özel olarak da doğal gazın reformasyonu yöntemidir[6].
Ancak bir fosil yakıt olan doğal gazın tükenecek olması nedeniyle
alternatif bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadır.

Günümüzde
tek potansiyeli olan yöntem elektroliz olarak öngörülmektedir. Enerji
olarak elektrik bağımlısı olan elektroliz yöntemiyle hidrojen
üretiminin, günümüzde maliyetli de olsa yeni ve yenilenebilir enerji
kaynaklarının gelişmesiyle, öneminin artması beklenmektedir. Hidrojen
sayesinde, mevcut santrallerde ya da yeni ve yenilenebilir enerji
kaynaklarıyla üretilecek fazla enerji depo edilebilecektir. Böylece
depolanması daha zor ve verimsiz olan elektrik enerjisi, elektroliz
yoluyla hidrojen biçiminde depo edilebilecektir. İstenildiği yer ve
zamanda bu enerji, farklı enerji üretim metotları ile (yakıt pilleri,
içten yanmalı motorlar, gaz türbinleri, buhar türbinleri vb.) tekrar
açığa çıkarılabilecektir.

HİDROJENİN DEPOLANMASI
Hidrojenin
üretilmesini takiben depolanması gerekir. Genel olarak hidrojenin
kullanıldığı her yerde depolanmasına ihtiyaç vardır. Taşıtlarda
hidrojenin kullanılması durumundaysa depolama daha fazla önem
kazanmaktadır. Bu bakımdan üretilen hidrojen iki ayrı grupta
depolanması şeklinde incelenebilir. Birincisi merkezi bir jeneratör,
güneş-hidrojen enerji sistemi, rüzgar-hidrojen enerji sistemi, hidrolik
– hidrojen enerji sistemi vb. gibi merkezi olarak üretilen hidrojenin
depolanması; ikincisiyse ısınma, pişirme ya da taşıtlardaki kullanım
amaçlı depolanmasıdır.

Merkezi olarak depolamada boşaltılmış doğal gaz yatakları, mağaralar ve büyük depolama tankları kullanılmaktadır.

İkinci
tip dediğimiz ve daha çokta taşıtlar için tasarlanan depolama
şekilleridir ki yaygın olarak 3 yöntem üzerinde yoğunlaşılmaktadır.
Bunlar; gaz hidrojen, sıvı (karyojenik) hidrojen ve metal hidritler
şeklinde depolamadır.

HİDROJENİN TAŞITLARDA KULLANIMI
Hidrojen yakıtlı motorlar güç üretim yöntemi bakımından 2 kategoriye ayrılabilir.

– Hidrojen Yakıtlı İçten Yanmalı Motorlar
– Hidrojen Yakıt Pilli Motorlar

Hidrojen Yakıtlı İçten Yanmalı Motorlar
Hidrojen,
aynen klasik içten yanmalı motorlarda kullanılan; benzin, dizel yakıtı,
LPG, doğalgaz ve kerosen gibi içten yanmalı motorlarda yakıt olarak
kullanılabilmektedir. Yakıt içerisindeki kimyasal bağ enerjisi yanma
sonrası ısıya ve buradan da mekanik enerjiye dönüştürülmektedir.

Hidrojenin
kendiliğinden tutuşma sıcaklığının yüksek oluşu (1 Atm basınçta
847-867K) ve oktan sayısının yüksekliği hidrojenin dizel motorlardan
çok, karbüratörlü otto motorlarda daha uygun bir yakıt olacağını
göstermektedir[7].

Hidrojen
yakıtlı motorlarda, fosil yakıtlarda görülen buhar tıkacı, soğuk
yüzeylerde yoğuşma, yeterince buharlaşamama, zayıf karışım gibi
sorunlar yoktur.

Yüksek
alev hızına, geniş alev cephesine ve yüksek detenasyon sıcaklığına
sahip olup, kontrolsüz yanmaya karşı dayanıklıdır. Sahip olduğu bu
yüksek alev hızı, otto motorlarda ideale yakın bir yanma ve ısıl
verimde artışlar sağlar. Ayrıca düşük alev parlaklığı ile yanıyor
olması radyasyon yoluyla gerçekleşen ısı transferi miktarını da
azaltmaktadır. Hidrojen yakıtlı motorun ısıl verimi benzin
motorununkine oldukça yakındır. Hatta sıkıştırma oranının arttırılması
ve fakir karışım sağlanmasıyla ısıl verim % 25’lik bir artış
sağlanabildiği tespit edilmiştir[7]. Hidrojen-hava karışımını
ateşlemek için gerekli enerji miktarı da diğer yakıtlara oranla çok
düşüktür ve bu da tutuşma garantisini sağlayarak özellikle benzinli
motorlarda bir avantaj oluşturmaktadır. Yanma sonunda fosil yakıtlarda
söz konusu olan CO, CO2, CnHm, NOx vb.
zehirli ve zararlı atıklardan yalnızca NOx ‘in oluştuğu hidrojenli
motorlarda bu emisyonun miktarı da karışım oranının ayarlanmasıyla
azaltabilmektedir. Hidrojenin yanması sonucu partikül madde
oluşmadığından bujiler de kirlenmez. Dolayısıyla hidrojen yakıtlı içten
yanmalı motorlarda yalnızca NOx ve su oluşmaktadır. Bu da, günümüz
fosil yakıtlarının önemli bir dezavantajı olan O3 (ozon)
tabakası, ekolojik dengeye zararlı emisyon salınımının yok denecek
kadar az olmasını sağlayarak, çevreye uyumluluğunu da göstermektedir.
Genellikle NOx hava fazlalık katsayısı ve karışım yerel sıcaklığına
bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Bu yüzden zengin (?<0,9) ve fakir
(? >1,7) karışımlarda NOx oluşumu önemli ölçüde azalacaktır.

Hidrojenin
içten yanmalı motorlarda kullanılmasıyla birlikte bir takım problemler
de oluşmaktadır. Bunlardan en önemlileri; geri tutuşma ve erken
ateşlemedir[8]. Yanma odasına gönderilen hava-yakıt karışımının
silindire girmeden önce tutuşması sonucu, motor emme manifoldu içinde
geriye doğru alev tutuşması meydana gelmektedir. Bu ise emme sisteminde
yer alan elemanları tahrip etmekte ve bu da emniyet sorunları
doğurmaktadır. Motorun yüksek yükte çalışması durumunda; yanma
odasındaki sıcak noktalar karışımın erken ateşlenmesine sebep olur[8].
Hidrojenin düşük tutuşma enerjisine sahip olması erken ateşlemeye yol
açabilmektedir. Buna; yanma odasındaki sıcak noktalar, supap
bindirmesinde sıcak egzoz gazları, motor yağından gelen sıcak
partiküller yol açabilmektedir. Bunun önlenebilmesi için yanma odasını
sıcaklığının düşürülmesi yoluna gidilir ki bu amaçla; karışımın bir
miktar fakirleştirilmesi, egzoz gazları resirkülasyonu (EGR), sıvı
hidrojen kullanımı (düşük sıcaklıkta olması nedeniyle) gibi çeşitli
yöntemlere başvurulmaktadır. Ancak erken ateşlemeyi önlemeyi öngören bu
tedbirler; verimde ve motorun düzenli çalışmasında bir takım
olumsuzlukları da beraberinde getirecektir.

Hidrojen Yakıt Pilli Motorlar

Yakıt pili ve tarihçesi
Yakıt
pili (yakıt hücresi), enerji üretiminde kullanılan verimli, sessiz,
çevre ile uyumlu ve elektrokimyasal prensipte yakıt enerjisini elektrik
enerjisine dönüştüren güç üretim elemanıdır. (Yakıt pili – Şekil 1)

İlk
yakıt hücresi 1839 yılında Sir William Grove tarafından tasarlanmıştır
[5]. Grove önce seyreltik sülfürik asit çözeltisine daldırılmış iki
platin elektrottan oluşmuş bir sistemde hidrojen ve oksijen üretmeyi
başarmıştır. Yaptığı çalışmalarla suyun elektrolizinin ters reaksiyonu
sonucunda sabit akım ve gücün üretildiğini fark eden Grove, böylece
tesadüfi olarak büyük bir buluş gerçekleştirmiştir. Sonraki yıllarda
ise önceki çalışmasında kullandığı sistemin bir dizisini seri
bağlayarak daha fazla elektrik akımı üretmeyi başarmıştır.

Friedrich
Wilhelm Ostwald, yakıt pili içindeki her elemanın yakıt pilinin
çalışmasındaki görevini ve etkisini araştırmıştır. William W Jacques,
eriyik elektrolitli yakıt pillerinin temelini atmıştır. Kömürün elektro
kimyasal enerjisinden doğrudan elektrik üretmeyi başarmıştır. 1900
yılında Emil Baur, bir diğer bilim adamı Nerst’in başlattığı kati oksit
elektrolitle çalışan bir yakıt hücresi projesinin başarıya ulaşmasını
sağlamıştır. Bu konudaki en önemli çalışma Thomas Bacon tarafından
alkalin yakıt pilleri üzerinde yapılan çalışmalardır. Bu çalışmanın
önemini anlayan Pratt ve Whitney şirketi bu projeye lisans vererek,
NASA ‘da kullanılmasını sağlamıştır. 1950’li yıllarda uzay çalışmaları
yarısıyla yakıt pillerine ilgi artmıştır. 1958 ‘de ise NASA,
Hidrojen-oksijen pilini uzay çalışmalarında kullanmaya başlamıştır[9].

Petrol krizi sonrasında ise hidrojen ve hidrojenli yakıt pilleri daha da önem kazanmıştır.

Yakıt pili çalışma prensibi
Yakıt
pilinde gaz yakıtlardaki kimyasal enerji, düşük enerjili minimum
hareket içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektro kimyasal bir
prensiple temel olarak elektrik ve ısı enerjisine dönüştürülür. Yakıt
pili, yakıt (direkt kullanımda; hidrojen, dolaylı kullanımda ise; doğal
gaz, LPG, metanol vb.) ve oksitleyicinin (hava veya oksijen) kimyasal
enerjisini doğrudan elektrik ve ısı formunda enerjiye çeviren güç
üretim cihazıdır.

Yakıt
pilleri düşük gürültü seviyesinde az kirletici açığa çıkararak yüksek
verimle çalışabilmektedirler. Direkt hidrojen kullanımında tek yan
ürünleri saf sudur. Termik makinelerde, Carnot çevrimine göre verim ?c=1-TITQ ‘dır. Yani işlem sıcaklığı (T0),
arttıkça verim artmaktadır. Fakat bu sıcaklık, malzeme dayanım
limitleri ile sınırlanmıştır. Yakıt pilinde ise bu sınırlama söz konusu
değildir. Yakıt pili genel verimi ? fc = DG/DH şeklinde ifade edilir ki, bu da Gibbs serbest enerjisinin yakıt ısıl değerine oranı şeklindedir[5].

Temel
olarak bir yakıt pili; anot, katot ve elektrolit kısımlarından oluşur.
Ayrıca reaksiyonu hızlandırmak için yakıt pili tipine göre farklı
katalizörler kullanılır. (Şematik yakıt pili -Şekil 2)

Sistemde;
anoda gönderilen yakıttan ayrılan elektronlar, bir dış devre üzerinden
yoluna (katoda doğru) devam ederken, iyonlar (elektronları ayrılan
yakıt) elektrolit üzerinden katoda doğru hareket eder ve burada anottan
gelen elektronlar ve hava ile reaksiyona girer ve devre tamamlanır.
Böylelikle dış devreden dolaştırılan elektronların bulunduğu akım
kolunda elektrik akımı oluşur. Yakıt pilinin tipine göre sistemde,
farklı katalizör malzemeler de kullanılır. Örneğin, taşıt
uygulamalarında daha çok tercih edilen PEM (ilerde açıklanacak) yakıt
pilinde elektrolitin her iki yüzeyinde de preslenmiş olarak genellikle
Platinyum malzemeden katalizör kullanılır. (Şematik yakıt pili -Şekil 2)

Yakıt
pilinde tek bir hücre gerilimi 1 volttan daha az olduğundan, gerekli
elektrik enerjisini üretmek için birden fazla yakıt hücresini seri
bağlayarak kullanmak gereklidir. Bu hücrelerin arasına iki kutuplu
levhalar yerleştirilmelidir.

Bu
levhalar, elektrotlara gazın sağlanması ve hücrelerin elektriksel
olarak bağlanmasını sağlarlar. Sandviç şeklindeki bu hücre ve levha
grubuna “Yakıt hücresi grubu” adı verilir. (Yakıt pili birimleri –
Şekil 3)

Bu
elektrokimyasal işlemden çıkan yan ürün sadece su ve ısıdır (Yakıt
olarak hidrojen kullanılması halinde). Bu sistemi, pilden ayıran en
önemli fark ise, güç üretimi için şarja gereksinim olmaması ve yakıt
sağlandıkça güç üretiminin devam ediyor olmasıdır. Yakıt pilinde
gerçekleşen reaksiyonlar (örnek; PEM yakıt pili);

Reaksiyon
sıcaklığının sağlanması için bu kümenin içine birkaç tane soğutucu
levha yerleştirilir. Hücrelere gaz temini ve su çıkışı her hücre için
ayrı olabileceği gibi kümenin sonundaki levhalardan da sağlanabilir.

Teorik
olarak yakıt hücreleri, okside olabilen tüm akışkanları
dönüştürebilirler. Pratikte ise hidrojen ve hidrokarbon yakıtlar
arasında farklar meydana gelmektedir.

Bütün
yakıt hücresi çeşitleri, yukarıda anlatılan yöntemle hidrojeni
dönüştürebilirler. Fakat hidrokarbonların kullanılmasında, dönüşüm için
ya çok büyük katalizör yüzeyi ya da çok yüksek sıcaklık gerektiren
oksidasyon problemleri vardır. Bu nedenle hidrokarbon yakıtlar, yakıt
hücresinde önce su buharıyla reforme edilerek hidrojen üretiminde
kullanılmasıyla, yani dolaylı yollardan kullanılabilmektedir. Bu
nedenle de hidrokarbon yakıt kullanılan yakıt pillerinin verimi direkt
hidrojen kullanılan yakıt pillerine göre daha düşüktür. Yakıt
pillerinin avantaj ve dezavantajları da özetlenecek olursa:

Avantajları:
Yüksek verim, yüksek güç yoğunluğu, modülerlik, geniş yakıt yelpazesi,
düşük emisyon, yüksek güvenilirlik, kolay kurulum, hızlı enerji
dönüşümü.

Dezavantajları: Yüksek maliyet, özellikle taşıt uygulamaları için avantajlar taşıyan hidrojenin dağıtım ağının kurulu olmaması.

Yakıt pili tipleri
Yakıt
pilleri genellikle çalışma sıcaklıklarına göre; düşük, orta ve yüksek
sıcaklık yakıt hücreleri olarak sınıflandırılabilirler. Esas olarak ise
kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar. Buna göre üzerinde
çalışılan başlıca yakıt pili tipleri şunlardır:

– Alkalin Yakıt Pili (Alkaline Fuel Cell – AFC)
– Erimiş Karbonat Yakıt Pili (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC)
– Fosforik Asit Yakıt Pili (Phosphoric Acid Fuel Cell -PAFC)
– Katı Oksitli Yakıt Pili (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC)
– Proton Değişim Zarlı Yakıt Pili (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC)
– Direkt Metanol Yakıt Pili (Direct Methanol Fuel Cells – DMFC)
–
Regenerative Yakıt Pili (Regenerative Fuel Cells – RFC) Günümüzde
özellikle yakıt pilinin taşıtlarda uygulamasında Proton geçirgen
membran yakıt pili (PEM) kullanılmakta olduğundan bu tip açıklanacaktır.

PEM Yakıt pili
Bu yakıt pili tipi 1950’li yıllarda General Elektrik tarafından bulundu ve ilk olarak NASA’nın Gemini Uzay Projesinde uygulandı.

Polimer elektrolit membran ya da proton geçirgen membran olarak adlandırılan PEM yakıt hücresinin elektrolit kısmı kalınlığı 50 mm
seviyesinde kati polimer membran zardan meydana gelir. Bu zarın
özelliği; protonlara karşı geçirgen, elektronlara ise geçirgen
olmamasıdır. Elektrotlar ise karbondan imal edilmektedir.

PEM yakıt pilindeki reaksiyon;

Çalışma sıcaklığı 80 °C
civarındadır ve bu sıcaklık seviyesinde reaksiyon hızının yavaş oluşu
katalizör kullanımını gerektirir. Bu amaçla da her iki elektroda da
preslenmiş olarak Platinyum kullanılır. Elektrolit ve elektrotlardan
oluşan kısma “Membran Grubu” denir ve bu, iki akış plakası arasında yer
alır. Bu plakalar yakıt kanallarını ihtiva eder ve elektronların
membran grubu dışına iletimini sağlar. Her bir hücrede oluşan gerilim
0,7 volt seviyesinde olup yüksek gerilimlere ulaşabilmek için hücreler
seri olarak bağlanarak; yakıt hücresi (yakıt pili) grubu oluşturulur.

PEM
yakıt pilleri; düşük sıcaklık seviyesinde çalışma, çabuk cevap hızı,
yüksek güç yoğunluğu ve kompakt yapı gibi avantajlara sahiptir.
Verimleri ise % 40-50 aralığındadır.

Yakıt Pili Sistemi
Genel
olarak bir yakıt pili sistemi, aşağıdaki 4 üniteden oluşmaktadır.
Bunlar; yakıt işleme ünitesi, güç üretim sistemi (yakıt pili grubu –
modül), güç dönüştürücü (inverter), kontrol sistemi. (Yakıt pili
sistemi – Şekil 4)

Yakıt
İşleme Ünitesi, yakıtın yakıt piline gönderilmesi öncesinde
hazırlandığı ve eğer direkt hidrojen kullanılmıyorsa, kullanılan
yakıttan hidrojenin ayrıştırıldığı ünitedir. Yani hidrojen dışında bir
yakıt kullanıldığında bunun kullanıma hazırlanması da bu ünitede
gerçekleştirilir.

Güç Üretim Sistemi olarak isimlendirilen bölüm bir veya birden fazla yakıt pili yığınından meydana gelmektedir.

Güç dönüştürücü ünitesinde, hücrede üretilen doğru akım ticari kullanım için alternatif akıma çevrilir.

Kontrol Sistemi ünitesinde sistemin tüm işleyişi denetlenir ve kontrol edilir.

Ayrıca
pek çok yakıt pili sisteminde yardımcı elemanlar olarak adlandırılan
bazı komponentler de söz konusudur. Bunlar; fan, kompresör, nem
ünitesi, ısı değiştirici, DC/AC dönüştürücü vb. şeklinde sayılabilir.

Temelde
taşıtlarda uygulaması konumuzu oluşturan yakıt pilleri pek çok farklı
uygulama alanına da sahiptir. Bunlar; taşıt, evsel, askeri, uzay
araçları, enerji santrali ve mobil uygulama alanlarıdır.

Yakıt Pilli Motor Teknolojisi
Yakıt
pilli taşıtlar da diyebileceğimiz yakıt pilli motor teknolojisi,
hidrojenin ya da reforme edilerek hidrokarbon yakıtların kullanıldığı,
yakıt pili sistemleriyle üretilen ve DC’den AC’ye dönüşümü
gerçekleştirilen elektrik akımının kullanılarak, AC elektrik motorları
ile aracın tahriki prensibine dayanır. Yani klasik araç teknolojisinde
izlenen yanma kimyasal enerjisi-mekanik enerji dönüşümü ve böylelikle
aracın tahrik edilmesi yerine, elektrokimyasal-elektrik dönüşümüyle
aracın tahriki temin edilmektedir. Böylece çok yüksek sıcaklık ve
basınçlarda, çok yüksek gürültü seviyelerinde gerçekleştirilen, oldukça
fazla, kompleks parçaların oluşturduğu, büyük atalet kuvvetlerinin ve
titreşimlerin meydana geldiği bir mekanizma ortadan kakmaktadır. Bunun
yerini nispeten oldukça düşük sıcaklıklarda çalışan, çok düşük gürültü
seviyesine ve kompleks hareketli parçalar içermeyen, düşük titreşim
seviyeli bir sistemle güç üretilmektedir. Bu güçle aracın hareketi
gerçekleştirilmektedir. (Şematik yakıt pilli taşıt sistemi -Şekil 5.)

Sistem
temelde; yakıt tankı, yakıt pili sistemi, AC/DC akım dönüştürücü ve
elektrik motor/motorlarından oluşmaktadır. Bununla birlikte; sistemin
genel kontrol ünitesi, akü, soğutma sistemi ve çeşitli aktarma
organları sistemin temel tamamlatıcı donanımlarıdır. Ayrıca direkt
hidrojen kullanılmayan hidrojen yakıt pilli sistemlerde, kullanılan
yakıtın (metanol, doğalgaz vb.) yeniden şekillendirilerek (reformation)
hidrojen yakıt piline hazır hale getirildiği şekillendirici (reformer)
bulunur. Yakıt pilli motorlarda verim, geleneksel motorların 2 misli
düzeylerine çıkabilmektedir.

Günümüzde
başta büyük otomobil üreticileri olmak üzere pek çok otomobil
üreticisi, yakıt pilli taşıt konusunda önemli düzeyde araştırma ve
ortaklıklar gerçekleştirmekte, bu konuya büyük bütçeler ayırarak ve
prototip üretimlerinin de ötesinde bu tip taşıtları piyasaya sürme
noktasında önemli vaatlerde bulunmaktadırlar. Hatta bazı şirketler bu
çalışmalarının kaynağını oluşturan hidrojenin ve depolanmasının da bu
teknolojiye geçişte belki de eşdeğer öneme sahip olduğundan; büyük
petrol şirketleri, depolama teknolojileri üzerine çalışan şirketler ve
yakıt pili üreticileri ile ortak çalışmalar gerçekleştirmektedirler.
Aşağıda bu tür üretimlere dair birkaç taşıt ve özellikleri sunulmuştur.
(Yakıt pilli taşıt örnekleri-Şekil 6.)

SONUÇ ve ÖNERİLER
Geleneksel
yakıt ve yakıt sistemlerine bağlı motor teknolojilerinin, bugünkü yakıt
kaynaklarıyla çok uzun bir zaman ayakta duramayacağı ve alternatiflere
ihtiyaç duyacağı aşikardır. Üstün özellikleriyle hidrojenin de en
azından bu alternatifler arasında yer alabileceği artık pek çok bilim
adamı ve politikacı tarafından dile getirilmektedir. Özellikle gelişmiş
ülkelerin ve çok uluslu petrol şirketlerinin de bu sektöre girmeleriyle
bu geçişin ve başta maliyet olmak üzere taşıdığı bir takım problemlerin
aşılması mümkün görülmektedir.

Günümüz
dünyasını tehdit eden küresel çevre sorunları ve bunun gün geçtikçe
ekolojik dengeye verdiği onarılması güç tahribatlar, seçilecek enerji
kaynağına sadece maliyet perspektifinden bakışın uzun vadede ekonomik
olamayacağını göstermektedir. Bugün benzin, motorin, LPG, doğalgaz,
kerosen vb. fosil kökenli yakıtların kullanıldığı geleneksel motorlarda
en azından geçiş döneminde hidrojenin ilave yakıt olarak kullanımı ve
böylelikle emisyonlarda daha iyi sonuçlar alınması ve geçiş dönemi
sonrası zaman içinde bu yakıtların yerini hidrojene bırakmaları
sağlanabilir.

Uzay
araçlarında elektrik vb. enerji ihtiyaçları için bugüne kadar
kullanılan ve fakat yüksek maliyet ve hidrojen yakıtının yaygınlaşmamış
olması nedeniyle günlük hayatta karşılaşılmayan yakıt pili ve yakıt
pilli motor teknolojisi de geleceğin teknolojileri arasında
görülmektedir. Zamanla rekabet ve çalışmaların sürmesiyle
maliyetlerinin daha da düşeceği başta otomobil ve yakıt pili
üreticileri tarafından vaat edilmektedir.

Bazı
otomotiv firmaları ise özellikle hidrojen taşıyıcısı olarak sodyum
borhidrat (NaBH4) üzerinde çalışmalar yürütmektedirler. Bu şekilde kati
ya da sıvı fazda kolaylıkla depo edilebilir olması ve kontrollü bir
kimyasal reaksiyonla hidrojen gazının kullanım anında üretilmesi bu
çalışmaların temel felsefesidir. Ülkemizin de bor yönünden oldukça
zengin oluşu, böyle bir teknolojinin uygulanabilirliği halinde oldukça
büyük avantajlar kazanmamızı sağlayabilecektir.