abdullahkubilay
Yeni üye
 Çevrimdışı
Cinsiyet: 
Mesaj Sayısı: 16
|
 |
« : Haziran 06, 2007, 15:55:11 % » |
|
1-GİRİŞ
Endüstri devrimi ile 1750 yılından bu yana, teknik yeniliklere dayalı olarak dünya genelinde ekonominin gelişmesi, peş peşe beş ayrı dalgalanma biçiminde sürmüştür. 1750–1825 yılları arasındaki birinci dalgalanmanın baş enerji kaynağı kömürdür. 1825–1860 arasındaki ikinci dalgalanmada, ekonomiye ivme kazandıran elektrik olmuştur. 1860–1910 yılları arasındaki üçüncü dalgalanmada elektrik etkisini sürdürmüş, ama yeni kaynak olarak petrol ortaya çıkmıştır. 1910–1970 arasındaki dördüncü dalgalanmada ekonomiyi büyüten yeni enerji kaynağı nükleer enerjidir. Şimdi 1970'lerde başlayan 21. yüzyılın neresinde biteceği henüz bilinmeyen yeni bir dalgalanma içindeyiz. Bu yeni dalgalanmayı etkileyen enerji türü hidrojendir.
Günümüzde Dünyanın enerji ihtiyacının yaklaşık %80’i milyonlarca yılda oluşan fosil kökenli kaynaklardan sağlanmaktadır. Bu kaynakların yeryüzünde artan enerji talebi karşısında yaklaşık 100 yıl gibi bir süre sonunda tamamen biteceği tahmin edilmektedir. Bu gerçek tüm dünya tarafından bilinmektedir. İşte bu yüzden güçlü ülkeler bir taraftan, yasal olmayan yöntemlerle, var olan enerji kaynaklarını etkisi altına almak için, bu kaynaklara sahip ülkeleri etki altına almaya çalışırken, diğer taraftan yeni enerji kaynakları yaratabilmek için araştırmalara milyarlarca dolar bütçe ayırmaktadır.
Yeni enerji kaynaklarına yönelmenin önemli ve yadsınamaz diğer bir nedeni ise, fosil kökenli yakıtların yanması sonucu oluşan emisyonların, doğanın ekolojik dengesini bozmasıdır.
Bu iki önemli nedenden dolayı dünya ülkeleri, enerji ihtiyacını karşılayabilmek için bir yandan enerjinin daha verimli kullanılması konusunda çalışmalar yaparken diğer taraftan rüzgar, güneş, hidrojen gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmekte ve bu alanlardaki araştırmalara bütçelerinden önemli paylar ayırmaktadır. Gelişmiş ülkeler bugün enerji ihtiyacının %5-10 arasındaki dilimini yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlamaktadırlar ve ulusal enerji planları çerçevesinde yenilenebilir enerji kaynaklarını her yıl artırarak kullanmayı hedeflemektedirler.
Türkiye’nin enerji tüketiminin önemli bir kısmını yani yaklaşık %70’ini ithal edilmektedir. Ham petrol ve doğal gaz olarak ithal edilen enerji kaynaklarını, sanayide, konutlarda ve ulaşımda kullanılmaktadır. Enerji kullanımında henüz ulusal politikalar oluşturulamamış olan Türkiye’de ithal edilen doğal gazdan olan elektrik üretimi, elektrik ihtiyacının %45’ine ulaşmış ve %60 hedeflenmektedir. Yine enerji kullanımının %40’ı konutlarda kullanılmakta ve bu enerjinin %50’si ısı yalıtım olmadığından hem atmosfer kirletilmekte hem de milyarlarca dolar sokağa atılmaktadır.
Araştırma sonuçlarına göre 2015 yılından itibaren petrol ve doğalgaz üretimi düşeceği belirlenmiştir. Artan nüfus ve kalkınmakta olan memleketlerin artan ihtiyaçlarını karşılamak için gerekli yakıt göz önüne alındığında, 2015 yılından itibaren petrol ve doğalgaz üretimi ile ihtiyaç arasında bir fark olacağı anlaşılmaktadır. Yani yeni bir yakıta ihtiyaç duyuluyor. Fosil yakıtlar kullanılarak dünyadaki ortalama gelir seviyesi yükselmesine karşın fosil yakıtların çevreye verdiği zararda gittikçe artış göstermiştir. Fosil yakıtların meydana getirdiği bu problemleri görüşmek ve bunlara çözüm bulmak için 1992 yılında Rio şehrinde dünya zirvesi toplanmıştır. Bu problemler:
• İklim değişikliği
• Karbondioksitin artması
• Kutuplarda buzulların erimesi
• Denizlerin yükselmesi
• Hava kirliliği
• Deniz kazalarında petrolün denizlere akması ve sahillere zarar vermesi
Bu problemleri çözümü yolunda atılmış enbüyük adımlardan biri yakıt hücreleridir. Temiz, kaynağı bol, çıktı olarak da zararsız maddeler veren teknolojilerin geliştirilmesi kaçınılmaz bir gerekliliktir.
2-KURAMSAL TEMELLER
2.1.Tarihçe
Yakıt hücreleri yaklaşık 150 yıldır kullanılmaktadır. İlk yakıt hücresi 1839 da sir William Robert Grove tarafından tasarlanmıştır. Onun yapmış olduğu yakıt pilinde elektrolit banyosu olarak sülfürik asit, elektrot olarak da gözenekli platin kullanılmıştır. Bu harika buluş ne yazık ki kullanılabilir düzeyde bir elektrik üretememiştir.
Ludwing Mond asistanı ile birlikte 1889 da, hava ve endüstriyel kömür gazı kullanarak çalışan bir yakıt pili çalışması yapmıştır.
Aynı yıllarda, William White Jaques bu teknolojiye bir isim kazandırmış ve “fuel cell” (yakıt hücresi) terimini kullanmıştır. O kendi yakıt hücresinde elektrolit banyosu olarak fosforik asit kullanmıştır.
1920’li yıllarda, Almanya da günümüzdeki karbonat dönüşümü ve katı oksit yakıt hücrelerinin temeli atılmıştır.
1932 yılında Dr. Francis T. Bacon önemli bir çalışmaya imza atmıştır. Kendisinden öncekilerin kullandığı yöntemlerdeki platin elektrot pahalı ve kullanılan elektrolit banyosundaki asitler korozif olduğundan geliştirilmesi gerekliydi. Dr. Bacon pahalı olmayan nikel elektrot ve daha az korozif olan alkalin elektrolit kullanmıştır. Çalışması 1959’a değin sürmüş ve geliştirdiği yakıt hücresi ile 5 kW‘lık üretim yapmıştır. Yapmış olduğu yakıt hücresini bir kaynak makinesinde kullanmıştır. İsmi meşhur Franchis Baco’nun gölgesinde kalmasına rağmen o,meşhur yakıt hücresine ismini vermiştir(Bacon Cell).
1959’da Hary Karl Ihring, yakıt hücresi ile çalışan ilk tekerlekli araç olan, 20 beygir gücündeki traktörü yapmıştır.
1960’lı yılların ilk yarısında, general elektrik yakıt hücresi bazlı elektrik sistemlerini NASA’nın Gemini ve Apollo uzay kapsüllerinde kullanmıştır. General elektik bu işlemi “Bacon Cell” teknolojisi ile yapmıştır. Hali hazırda uzay teknolojisinde kullanılan teknoloji aynıdır. Diğer yandan kullanılan bu teknoloji ile mürettebatın içme suyu ihtiyacı karşılanmaktadır.”
Amerikan savunma dairesinden (DARPA) Dr. Lawrance H. Dubais, Kaliforniya üniversitesinden Dr. Surya Parakash ve Dr. George A. Olah değişik hidro karbonlarla çalışabilen bir yakıt hücresi tasarladılar ve adını DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) olarak duyurdular.
Yakıt hücreleri, konvansiyonel güç üretim sistemlerine göre aşağıdaki üstünlüklere sahiptir.
- Çevresel kirlilik oranı düşüktür.
- Enerji üretim verimi oldukça yüksektir.
- Farklı yakıtlarla çalışabilir. (Doğal gaz, LPG, Metanol ve Nafta)
- Egzoz ısısı yeniden kazanılabilir.
- Modüler yapıdadır.
- Montaj süresi kısadır.
- Çok yüksek miktarda soğutma suyu ( deniz suyu gibi ) gerektirmez.
- Güvenilir bir sistemdir.
- İşletim karakteristiği uygulamada kolaylıklar sağlar.
- Geleceğe yönelik olarak gelişme potansiyeli oldukça yüksektir.
- Katı atık ve gürültü problemi yoktur.
2.2. Yakıt Hücresi Çalışma Prensibi
Yakıt gazlarındaki kimyasal enerji; düşük enerjili, minimum hareketli parçalar içeren ve hava kirliliğine sebep olmayan elektrokimyasal bir proseste elektrik enerjisine dönüştürülür. Yakıt hücreleri düşük gürültü seviyesinde, az kirletici ürün açığa çıkararak yüksek verimle çalışabilmektedirler, tek yan ürün saf sudur. H2; katottaki oksijenin indirgenmesiyle birlikte anotta yükseltgenir. Bunun yanı sıra yakıt hücresinde metanol, su ve CO2’ye veya CO; CO2’ye dönüşebilmektedir.
Yakıt hücrelerinin en önemli uygulaması uzay araçlarında başlıca enerji kaynağı olarak kullanılmalarıdır. H2-O2 yakıt hücrelerinin insanlı uzay araçlarında kullanımı; içme ve soğutma amaçlı olarak saf suyun üretimini sağlamaktır. Nüfusu yoğun olan bölgelerde bile yakıt hücrelerini temel alan güç istasyonları kurulabilmektedir. Yakıt hücrelerinin; düşük emisyon ve gürültü seviyeleri ile H2’nin temel enerji kaynağı olması durumundaki yüksek verimlilikleri nedeniyle yakın gelecekte önemli rol oynayacağı tahmin edilmektedir.
Yakıt hücre sistemleri genellikle kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar (Şekil 2),
1. Bazik yakıt hücreleri,
2. Erimiş karbonat yakıt hücreleri,
3. Fosforik Asit yakıt hücreleri,
4. Katı oksit yakıt hücreleri,
5. Proton değişim membran yakıt.
6. Doğrudan metanol yakıt hücresi
2.3.Yakıt Hücresi Türleri ve Çalışma Prensipleri
2.3.1.Proton değişim membran yakıt hücreleri (PEMFC)
Bu sistemlerde proton geçirgen polimerik membran elektrolit olarak kullanılmaktadır. Kullanılan membranlar yaklaşık 50µm kalınlığındadır. Elektrot reaksiyonları asidik yakıt hücre sistemlerindeki gibidir. Katalizör olarak Pt içeren karbon elektrotlar proton değiştirici membranın iki yüzeyine preslenmiştir. Bir diğer yaklaşım ise hidrojeni difüzleyen ve diğer gazların geçişine izin vermeyen paladyum ya da paladyum-gümüş membranların kullanılmasıdır. Proton değişim membran yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 80-100°C’dir.
H2 +2Pt 2 Pt-H
2 Pt-H 2 Pt + 2H+ + 4e-
2H2 4H+ + 4e- anot reaksiyonu
4e- + 4H+ + O2 2H2O katot reaksiyonu
2H2 + O2 2H2O hücre reaksiyonu
2.3.2.Bazik (Alkali) yakıt hücreleri (AFC)
Bazik yakıt hücrelerinde KOH elektrolit olarak kullanılmaktadır (ağırlıkça 30-45%). Bu hücreler oda sıcaklığında çalışırlar ve diğer yakıt hücreleriyle karşılaştırıldıklarında daha yüksek voltaj verimi elde edilir.
2H2 (g) + 4OH- (s) 2H2O (l) + 4e- anot reaksiyonu
O2 (g) + 2 H2O (s) + 4e- 4OH- (suda) katot reaksiyonu
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (s) hücre reaksiyonu
Bazik ortamda karbondioksit karbonata dönüştüğünden dolayı, gaz girişinde CO2 bulunmasına izin verilmemektedir. Poroz nikel anot ve katotla kullanılmaktadır. Bazı uygulamalarda Pt katalizör elektrotlar üzerine konularak kullanılmaktadır. Bazı hücreler yaklaşık 200°C’de ve yüksek basınçlarda çalışabilmektedir. AFC sistemleri uzay gemilerinde, elektrikli araçlarda ve denizaltılarda kullanılmaktadır. Bu tür yakıt hücrelerinde uzun çalışma ömrüne ulaşı
labilmektedir. Kullanılan pahalı katalizörlerden, hidrojenin sıvılaştırılması ve sıkıştırılması için ekstra enerji tüketiminden ve saf hidrojenin pahalı olmasından dolayı bu tür yakıt hücreleri yüksek maliyetlidir.
2.3.3.Erimiş karbonat yakıt hücreleri(MCFC)
MCFC sistemlerinde elektrolit olarak LiAlO2 matrisi üzerine tutuklanmış erimiş lityum-potasyum karbonat karışımı kullanılmaktadır. Sistemde meydana gelen reaksiyonlar:
H2 (g) + CO2- 2 CO2 (g) + H2O + 2e- anot reaksiyonu
1/2O2 (g) + CO2 (g) + 2e- CO2- 3 katot reaksiyonu
2H2 (g) + 1/2O2 (g) H2O hücre reaksiyonu
Bu tür yakıt hücre sistemlerinin çalışma sıcaklığı 500–700°C arasındadır. Bu sıcaklıklarda elektrotları aktifleyen Pt gibi katalizörler kullanılmaktadır. Hidrokarbonlar yakıt olarak kullanıldıklarında hücreye direk olarak beslenirler ve burada hidrojen içeren gazlara dönüşürler. Yakıt hücresinin dayanımı önemli bir problemdir. Hücrenin yapımında kullanılacak düşük maliyetli materyallerin bulunması da karşılaşılan önemli bir zorluktur.
2.3.4.Fosforik asit yakıt hücreleri(FAFC)
Bu hücrelerde ince silikon karbür matris içindeki fosforik asit elektrolit olarak kullanılmaktadır. Asidik ortamda meydana gelen reaksiyonlar:
H2 (g) 2H+ (suda) + 2e- anot reaksiyonu
1/2O2 (g) + 2H+ (suda) + 2e- H2O katot reaksiyonu
2H2 (g) + 1/2O2 (suda) H2O hücre reaksiyonu
Kullanılan elektrolit kararlıdır ve bu hücreler karbondioksit içeren hava ile de çalışabilirler. Sistemin çalışma sıcaklığı yaklaşık olarak 170–200°C arasındadır. Oldukça yüksek çalışma sıcaklıkları katalizörlerin CO ile zehirlenmesini azaltır. Sistem oldukça düşük maliyetlidir ve yaklaşık olarak 40000 saat çalışma ömrüne ulaşılabilir.
2.3.5.Katı oksit yakıt hücreleri(SOFC)
Bu tür yakıt hücrelerinde elektrot ve elektrolit arası kararlı itriyum oksit ya da zirkonyum gibi katı oksit seramik bir materyalden yapılmıştır. Bu materyaller 800°C’nin üstünde O2- iyonlarını iletirler. Eğer hücre 900°C civarında çalışıyorsa meydana gelen reaksiyonlar:
aH2 (g) + bCO (g)+ (a+b) O2- bCO2 (g) + aH2O + 2(a+b) e- anot reaksiyonu
½(a+b) O2 (g) + 2(a+b) e- (a+b) O2- katot reaksiyonu
½(a+b) O2 (g) + aH2 (g) + bCO (g) aH2O(g) + bCO2 (g) hücre reaksiyonu
2.3.6.Doğrudan Metanol Yakıt Hücresi (DMFC)
DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), metanol ve havanın özel bir tarzda yanmasından ortaya çıkan termodinamik potansiyelin kullanımıyla çalışır. DMFC elektriği hareketli parçacıklar yardımı ile değil de kimyasal bir proses yardımı ile üretmektedir. Elektrik üretiminde yanmaya veya yakıt stokunun ayarlanmasına gerek duymaz. Aynı zamanda gaz halde hidrojen üretmeye de gerek yoktur. Bu ihtiyaç hali hazırda PEM tarafından gerçekleştirilmektedir. DMFC yi geleneksel pillerden ayıran nokta enerji depolayıcı olmayıp direkt enerji üretici olmasıdır. Aynı zamanda sadece metanol ve hava verilmeye devam edildiği sürece enerji üretmeye devam edecektir. Tekrar şarj edilmeye ihtiyaç duymaz.
DMFC’de termodinamik potansiyel; sadece belirli kimyasal özelliklerin geçmesine izin veren bir polimer elektrolit membran sayesinde oluşturulmaktadır. Bu membranın bir tarafında metanol ve su karışımı bir anot katalizöre beslenmektedir. Bu katalizör, metanol molekülünü hidrojen ve karbondioksite ayrıştırmaktadır. Ayrılan hidrojenler elektronlarını bırakırlar ve hidrojenler elektronları olmaksızın zardan katoda geçerler. Katot kısmında protonlar (elektronları anotta kalan hidrojenler) havanın içindeki oksijenle tepkimeye girerler. Burada bir elektronu eksik su oluşmaktadır. Bu eksik elektron iletken bir tel yardımı ile anottan katoda doğru akar. Akan elektronlar hidrojenin bırakmış olduğu elektronlardır. Böylece oluşan eksik tür tamamlanır.
Termodinamik açıdan elektronlar katoda belirli bir sayıda geçmek istemektedir. Buna açık devre voltajı denilir. Açık devre voltajı voltmetre ile ölçülebilmektedir.
Metanol ve oksijenin tepkimeleri sistem dengeye erişinceye dek sürecektir buda membranın iki tarafındaki enerjilerin eşitlendiği noktadır. Bu noktada enerji üretilemeyecektir.
Kullanılabilir enerji ancak membranın karşı tarafının voltajını eşdeğer noktanın altında tutmakla üretilebilir. Bunu sağlamak için anot ile katodu birleştiren telin üzerine akımın geçebileceği zayıf bir ısıtıcı konulur. Böylece orada küçük bir voltaj farkı oluşturulur. Zaten daha fazla bir voltaj farkı ile daha fazla bir enerji sağlanamaz.
DMFC de gerçekleşen tepkime
CH3OH+ 3/2 O2 CO2+2H2O
Şekil 1: DMFC (Doğrudan metanol yakıt hücresi)
Tablo 1: Yakıt Hücresi Türleri ve Özellikleri
Hücre Özellikleri Yakıt Hücresi Türü
Polimer Elektrolit Membran Fosforik asit Karbonat Katı oksit
Elektrolit İyon değiştirici membran Fosforik asit Bazik karbonat karışımı itriyum oksit ya da zirkonyum
Çalışma sıcaklığı (°C) 80 200 650 1000
Yük taşıyıcı H+ H+ CO3= O=
Elektolit şekli Katı İmmobilize sıvı İmmobilize sıvı Katı
Hücre donanımı Karbon-metal Grafit Paslanmaz çelik Seramik
Katalizör Platinyum Platinyum
Yakıt hücresi verimi % <40 40-45 50-60 50-60
Şekil 2: Yakıt Hücrelesi Türleri.
2.4. Hidrojen Üretimi
Dünya enerji ihtiyacı çok hızlı bir şekilde artmaktadır. “Avrupa Dünya Enerji Teknolojisi ve Çevre Politikaları Genel Bakışı” (WETO) 2000–2030 yılları arasında dünya çapında birincil enerjide büyüme hızını yılda %1.8 olarak hesaplamıştır. Bu artan talebin tükenmekte olan fosil yakıtlar tarafından karşılanması durumunda, dünya iklimini etkileyecek gaz emisyonlarının ve diğer kirleticilerin artacağı düşünülmektedir. Halen kalkınmakta olan ülkelerin CO2 emisyon seviyesine katkısı, sanayileşmiş olan ülkelerinkinin %20’sidir. Kalkınmakta olan ülkelerin sanayileşmesiyle bu oran artacaktır. Bu nedenle, sanayileşmiş ülkelerin yeni enerji sistemlerinin geliştirilmesinde önderlik etmesi gereklidir.
Halen kullanılan fosil yakıtlar, özellikle de petrolün, dünyada sadece belirli bölgelerde bulunması enerji ihtiyacının karşılanmasını politik, ekonomik ve ekolojik faktörlere bağlamaktadır. Bu faktörler yakıt fiyatlarının etkilemekte ve dünya üzerindeki enerji kullanımında eşitsizliğe yol açmaktadır.
Dünya üzerindeki enerji talebini karşılayacak yakıt üretimi, aktarımı, dağıtımı ve enerji dönüşümünü bir döngüye bağlayacak, üreticilere ve tüketicilere olan etkisinin de dikkate alındığı, tutarlı bir enerji stratejisi oluşturulmalıdır. Yakın gelecekte, ülkeler kendi yerel enerji kaynaklarının, özellikle de yenilenebilir enerjinin, artan bir verimle kullanılmasını amaçlamalıdır. Uzun dönemde ise, hidrojene dayalı bir ekonomi bütün sektörleri etkileyecektir.
ENERJİ KAYNAKLARI
Fosil Yakıtlar Yenilenebilir Enerji Kaynakları Nükleer
Kömür Doğalgaz Biyokütle Güneş Rüzgar Hidrolik Jeotermal Elektrik Isı
Gazlaştırma Termoliz Elektroliz
HİDROJEN
IC motorları Yakıt Hücreleri Prosesler, sentezler Türbinler, IC motorları
FC motorları Ticari Yerel Üçüncül sanayi Çoklu üretim
Taşıma Binalar Endüstri
UYGULAMA ALANLARI
Şekil 3 : Hidrojen öncelikli enerji kaynakları , enerji dönüştürücüler ve uygulamaları
YAKIT TÜRÜ
Hidrojen Metanol, Etanol Biyogaz, biyokütle, doğalgaz, benzin, kömür
PEMFC AFC DMFC REFORMER MCFC SOFC
PAFC PEMFC
YAKIT HÜCRELERİ
MOBİL ULAŞIM SABİT
KARA DENİZ HAVA EVLERDE SANAYİDE
UYGULAMA ALANLARI
Şekil 4: Yakıt Hücresi Teknolojileri, Uygun Yakıtlar ve Uygulamaları
Hidrojen, kömür veya biyogaz gibi birincil enerji kaynağı değildir. Hidrojen, birincil enerji kaynaklarından üretilen bir enerji taşıyıcıdır. Şekil 3’de enerji kaynakları dönüşümü ve uygulamaları gösterilmektedir. Bu nedenle yakın dönemde, mevcut enerji sistemi temel alınarak yaygın birincil enerji taşıyıcıları ve kaynaklarından üretilmektedir. Uzun dönemde ise sürdürülebilir enerjiye ulaşabilmek için, yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilmelidir.
Fosil yakıtlardan gazlaştırma ve reforming ile hidrojen üretimi teknolojisi yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Hidrojen elektroliz ile sudan üretilebilmektedir. Elektroliz için gerekli olan elektrik güneş pilleri, hidrolik ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından olacağı gibi nükleer elektrik de bu amaçla kullanılabilir. Hidrojen taşımacılıkta, binalarda ve sanayide kullanılacaktır. Şekil 3 ve 4’de görüldüğü gibi, yakıt pilleri hidrojenin kullanımında önemli bir yer tutmaktadır.Yakıt hücresi sistemleri taşınabilir şekilde kullanılabildiği gibi ulaşımda ve sabit uygulamalarda da kullanılması planlanmaktadır. Şekil 4’de değişik yakıt hücresi teknolojileri, olası yakıtlar ve uygulamaları gösterilmektedir.
2.5. Yakıt Hücresi Ekipmanları
Bir yakıt hücresi; Elektrot, membran ve yakıt olmak üzere başlıca üç unsurdan meydana gelmektedir. Aşağıdaki şekilde genel hatları ile bir yakıt hücresi gösterilmektedir.
Şekil 5: Yakıt Hücresi Ekipmanları
2.6. ¬İyon Değiştiren Membranlar
Yakıt hücresi membranlarında bulunması gerekli özellikler genel hatları ile;
• Membran protonlara karşı geçirgen olmasına karşın elektronları iletmemeli,
• Su, yakıt (hidrojen, metanol vs.), oksijen ve havadaki diğer gazları geçirmemesi,
• Mekanik dayanımının yüksek olması,
• Uzun süreli kullanımda ısıl ve kimyasal direnci yüksek,
• Teknolojik olarak yaygın bir şekilde kullanılabilmesi için emniyetli ve ucuz olması gerekmektedir.
Proton değişim yakıt hücrelerinde kullanılan membranların yüksek verimle çalışabilmeleri için su ile tamamen doyurulmuş olmaları gerekmektedir. Yapılan çalışmalarda membranın tam doygun olduğu zaman yüksek iyonik iletkenliğe ulaşıldığı görülmektedir.
İyon değiştiren membranları diğer membranlardan ayıran karakteristik özellik polimer yapılarının içinde iyon veya yüklü gruplanın bulunmasıdır. Bünyesinde negatif yüklü sabit aktif siteler bulunduran membranlar katyon değiştiren membranlar, pozitif yüklü sabit aktif siteler bulunduran membranlar ise anyon değiştiren membranlar olarak adlandırılır. Bu koşullarda iyon değiştiren membranlarda istenen en önemli özellik, membranın bünyesindeki sabit iyona zıt yüklü iyonları geçirmesi, benzer yüklü iyonları geçirmemesidir. Bu, ancak
membranın sahip olması istenen yüksek iyon değişim kapasitesi ve düşük direnç özellikleri ile sağlanır.
2.7. Katyon Değiştiren Membranlar
İyon değiştiren membranlarda ve dolayısıyla katyon değiştiren membranlarda ekonomiyi etkileyen en önemli faktör, membranın karakteristiğidir. Bir katyon değiştiren membranda bulunması istenen özellikler söyle sıralanabilir;
1. Yüksek akim etkinliğine ve düşük elektrik direncine sahip olması. Katyon değiştiren membranın yüksek akim etkinliğine sahip olması için yüksek miktarda iyon değiştirme kapasitesinin olması ve bünyesindeki su miktarının mümkün olduğunca düşük olması istenir. Diğer taraftan, düşük elektrik direncinin olması için membranın bünyesindeki su miktarının fazla olması istenir. Membran bünyesindeki su miktarı iyon değiştiren gruplara, iyon değiştirme kapasitesine ve sisteme verilen besleme çeşidine bağlı olarak değiştiği için, bu faktörlerin bir optimum kombinasyonu seçilmelidir.
2. Katyon değiştiren membran, sisteme verilen diğer kimyasallara karşı dayanıklı olmalı ve onlarla kimyasal tepkimeye girmemelidir. Bu sebeple membran seçilirken uygun iyon değişim grubunu bulunduran, uygun membran seçilmelidir.
3. Katyon değiştiren membran uzun süre sürekli çalışmaya, sistemdeki yüksek sıcaklık yüksek basınç gibi çalışma koşullarına, strese dayanabilecek kadar mekanik dayanıklılığa sahip olmalıdır. Mekanik dayanıklılık, membranı oluşturan polimerin yapısına, iyon değişim kapasitesine ve iyon değiştiren aktif grupların çeşidine göre değişmektedir. İyon değiştiren grupların, yüksek akım elde edebilmek için, membranda fazla olması istenir (madde 1), fakat iyon değiştiren grupların membran yapısında yüksek miktarda bulunması, yani membran üzerinde yüksek miktarda negatif kutup bulunması, membranın mekanik dayanıklılığını azaltmaktadır. Bu sebeple uygun membran belirlenirken bu faktörlerin optimum kombinasyonu belirlenmelidir.
4. Katyon değiştiren membranda yapıyı oluşturan maddeler ucuz ve kolayca sağlanabilmeli. Aynı zamanda membran üretim prosesi ucuz olmalıdır.
Polistiren, polikarbonat, polisülfon ve polifenilenoksit gibi aril iskelete sahip ticari polimerleri yakıt hücrelerinde proton ileten membran olarak kullanmak için, uygun ajan ile sü1fonlanır ve potansiyelleri araştırılır. Bu şekilde sentezlenen membranlarda karakterizasyon çalışmaları yapılır. FTIR(fourier transform infrared) ve HNMR, Sülfonasyonu belirlemek ve proton iletimi için mevcut sitelerin teşhisi için kullanılır.DSC(differential scanning calorimetry) ve TGA(thermogravimetric analysis) çalışmaları sülfonlanmış membranın ısıya dayanıklılığını araştırmak için yapılır. Yüzey morfolojisi ve dayanımı SEM(seanning eleetron microscopy) ve UTM yöntemiyle belirlenir. Sülfonlanmis polimerin su ve metanole karsı davranışını incelemek için tutma çalışmaları yapılır. Bir proton iletim miktar ölçümü IEC(ion exchance capacity) ve DS(degree of substitution) membranın, ticari olarak kullanılan Nafion membranla örtüşmesini incelemek için yapılır.
2.8. İletkenlik
İletkenlik, iyon değiştiren membranların kullanımını etkileyen en önemli özelliklerden biridir. İyon değiştiren membranların iletkenliğine etki eden birkaç faktör, vardır. Bunların en önemlileri; iyon boyutu, iyon tipi ve membranın taşıyıcı kısmıdır.
En çok iletkenliğe sahip membran elektrolitler, hareketli iyonu hidrojen olan ve taşıyıcısı su olanlardır. Yakıt hücreleri için gözlenen en iyi membran tipi, gerekli güç miktarına çıkabilmek için, hareketli iyonu hidrojen olan ve taşıyıcısı su olan membran elektrolitlerdir.
2.9. Su Geçirgenliği
Yakıt hücreleri uygulamalarında su geçirgenliği verimi etkileyen önemli parametrelerden biridir. Su, hücrede temas halindeki iyonların sebep olduğu elektroosmatik geçişle ve hücrenin anot ve katot bölgelerinde oluşan konsantrasyon farkından dolayı difüzyon ile iletilir.
PEM yakıt hücrelerinde su transferinin önemi; göç eden iyonların, suyu membranın bir ucundan diğerine taşınmasından kaynaklanmaktadır. Bu durum suyun az olduğu bölgelerde daha yüksek dirence sebep olmaktadır. İyon değiştiren membranların, yakıt hücrelerinde elektrolit olarak kullanılmasında, membranın dehidrasyon özelliğinin membranın fiziksel boyutları ve elektrolitik direnci üzerindeki etkisi çok önemlidir.
2.10. Kimyasal Dayanıklılık
İyon değiştiren membranların değişik kimyasal ortamlardaki dayanıklılıkları hakkında bilgi literatürde çok azdır. Bununla birlikte yakıt hücrelerinde hidroliktik ve oksitleyicilere karşı dayanıklılıkları çok önemlidir. Membran, yakıt olarak saf hidrojen kullanılmayan sistemlerde yan ürün olarak açığa çıkan CO ve CO2 gibi maddelerle aktivitesini kaybetmektedir.
2.11. Mekanik Özellikler
Yapılan çalışmalar sonucunda görülmüştür ki; iyonlaşmayı sağlayan aktif grupların
membran bünyesindeki yüksek konsantrasyonu, membranda mekanik zayıflık yaratmaktadır. Bu sebeple yakıt hücreleri uygulamalarında bir avantaj sağlayan yüksek yoğunluktaki aktif grup bulunduran membranların mekanik olarak güçlendirilmeye ihtiyacı vardır. Bu ihtiyaçtan dolayı membranın mekanik dayanıklılığını artıran malzemelerin önemi çok fazladır.
|
