Bilim ve Sağlık

Yakıt hücresi sistemleri çalışılan sıcaklık ve basınç aralığına göre çeşitlilik gösterir.(yüksek, normal, düşük) Aynı zamanda kullandıkları yakıt ve/veya oksidantlara göre de
• Gaz yakıt kullananlar (hidrojen, amonyak, hava ve oksijen)
• Sıvı yakıt kullananlar (alkoller, hidrazin, hidrokaronlar)
• Katı yakıt kullananlar (kömür, hidratlar)
olmak üzere çeşitlilik gösterir.

Genel ve basit olarak yakıt hücresi sistemleri yukarıdaki farklılıklarından dolayı değil, kullandıkları elektrolit çeşidine göre sınıflandırılırlar:
• Alkali yakıt hücreleri
• Fosforik asit yakıt hücreleri
• Erimiş karbonat yakıt hücreleri
• Katı oksit yakıt hücreleri
• Katı polimer yakıt hücreleri

2.1 Alkali Yakıt Hücreleri
Düşük sıcaklık aralığında çalışan bu hücrelerde elektrolit olarak konsantre (35-50 wt-%) potasyum hidroksit (KOH), yakıt kaynağı olarak saf H2 kullanılmaktadır. Ticari uygulamaları çok pahalı olan bu tür yakıt hücreleri üzerine bir çok şirket maliyetinin düşürülmesi ve işletim kolaylığının sağlanması için çalışmalar yapmaktadır.
2.2 Fosforik Asit Yakıt Hücreleri
Konsantre fosforik asidin kullanıldığı bu hücreler 160-220oC arasında çalışmaktadır. Düşük sıcaklıklar fosforik asidin iletkenliğinin az olmasından dolayı tercih edilmez.
2.3 Erimiş Karbonat Yakıt Hücreleri
Bu hücrelerde elektrolit olarak alkali karbonatların kombinasyonları kullanılır. Alkali karbonatların erimiş tuzlarının yüksek sıcaklıkta yüksek iletkenliklerinden dolayı çalışma sıcaklığı 600-700oC arasındadır. Bu hücre çeşidi Bölüm 3’te ayrıntılı olarak incelenmiştir.
2.4 Katı Oksit Yakıt Hücreleri
Bu hücrede kullanılan elektrolit katı metal oksittir. Uygulama sıcaklığı 650-1000oC arasındadır. Hücre üretiminin zor ve maliyetinin de oldukça yüksek olmasından dolayı ticari alanda en az gelişme gösteren yakıt hücreleridir.
2.5 Katı Polimer Yakıt Hücreleri
Bu hücrelerde kullanılan elektrolit iyon değiştirici bir membrandır. Bu membran iyi ir proton değiştiricidir. Bu hücrelerde bulunan tek sıvı sudur ve diğer hücrelere göre korozyon çok azdır. Elektrolit sızıntısı problemi de bulunmamaktadır. Düşük sıcaklıkta çalıştığından ulaşım araçları için uygun bir yakıt hücresi tipidir.

ERİMİŞ KARBONAT YAKIT HÜCRELERİ
Bu hücreler 600-650oC arasında çalışmakta olup yüksek verimliliklerinden dolayı diğer sistemler arasında çok önemli bir yer teşkil etmektedir.
Erimiş karbonat yakıt hücresinde

Anotta;

H2 + CO3-2 -> H2O + CO2 + 2e-

CO + H2O -> CO2 + H2

Katotta;

½ O2 + CO2 + 2e- -> CO3-2

reaksiyonları gerçekleşmektedir.

Havanın içindeki oksijen ve karbondioksit hava elektrodu da denilen katoda beslenir. Burada karbonat (CO3-2) üretmek üzere bir dış devre ile sağlanan elektronlar oksijen ile reaksiyona girer. Oluşan CO3-2 yakıt elektrodu da denilen anota doğru hareket eder. Anota beslenen yakıt içindeki H2, CO3-2 ile reaksiyona girerek su oluşturur. Elektronlar katoda bir dış devre ile taşınır ve reaksiyonun tekrarlanmasıyla sürekli elektrik oluşumu sağlanır.

Değişik sıcaklık ve basınçta denge potansiyeli (E) ile standart potansiyel (Eo) arasındaki ilişki Nerst Denklemi ile ifade edilmektedir :

E = Eo + ln + ln
a: anot
k: katot
E: denge potansiyeli
Eo: standart potansiyel
P: gaz basıncı
R: gaz sabiti
T: sıcaklık

Erimiş karbonat yakıt hücresinin bileşimi ve bileşenlerin akış yönleri ayrıntılı olarak şekil 3.2 de görülmektedir.

Erimiş karbonat yakıt hücreleri, yüksek sıcaklıkta çalışması ve elektrolitin yapısından dolayı diğer hücrelerden farklılık gösterir. Çalışılan yüksek sıcaklık, sistemin genel veriminin yüksek olmasında önemli bir etken olmaktadır. Kullanılan yakıt çeşitlerine de büyük bir uyum göstermektedir.

Bu hücrelerde kullanılan katot partikülünde sayısı çok fazla ve çok küçük olan gözenekler bulunur. Böylelikle yüzey alanı kolayca ıslanabilir. Katotta Li2CO3 , Na2CO3 , K2CO3 gibi alkali karbonatlarla ve bunların belli oranlarda karışımlarıyla çalışmalar yapılmaktadır.