Bir yakıt hücresi, elektrik, ısı ve su üretmek için hidrojen yakıtını oksijenle birleştiren elektrokimyasal bir cihazdır. Yakıt hücresi, yakıt mevcut olduğu sürece bir elektrokimyasal reaksiyonun meydana gelmesi açısından bir bataryaya benzer. Hidrojen, basınçlı bir kapta depolanır ve havadan da oksijen alınır. Yanma olmadığından, zararlı emisyonlar yoktur ve tek yan ürün ise saf sudur. Proton değişim membranlı yakıt hücresinden (PEMFC) yayılan su o kadar saftır ki, bir yakıt hücresi üreticisi olan “Vancouver Ballard Power Systems” şirketinde gelen ziyaretçilere bu temiz sudan yapılan sıcak çay ikram edilirdi.

Temel olarak, bir yakıt hücresi, bir elektrolit ile ayrılmış iki elektrot kullanılarak yapılan tersine elektrolizdir. Anot (negatif elektrot) hidrojeni alır ve katot (pozitif elektrot) oksijen toplar. Anottaki bir katalizör, hidrojeni pozitif yüklü hidrojen iyonlarına ve elektronlara ayırır. Hidrojen iyonize edilir ve elektrolit boyunca oksijen ile birleştiği katot bölmesine geçer. Tek bir yakıt hücresi, yük altında 0,6–0,8 V üretir. Daha yüksek gerilimler elde etmek için birkaç hücre seri olarak bağlanır. Şekil 1, bir yakıt hücresinin yapısal tasarımını göstermektedir.

Şekil 1: Bir yakıt hücresinin yapısı.Anot (negatif elektrot) hidrojeni alır ve katot (pozitif elektrot) oksijeni toplar. Kaynak: ABD Enerji Bakanlığı, Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi

Yakıt hücresi teknolojisi, karbon kökenli yakıtı enerjiye dönüştürmede içten yanmalı motorlardan iki kat daha verimlidir. En basit kimyasal element olan hidrojen (bir proton ve bir elektron) bol miktarda bulunur ve yakıt olarak çevre açısından son derece temizdir. Hidrojen, evrenin yüzde 90’ını oluşturur ve dünya yüzeyinde en çok bulunan üçüncü elementtir. Böylesine zengin bir yakıt, nispeten düşük maliyetle neredeyse sınırsız bir temiz enerji havuzu sağlayacaktır. Ama ne yazık ki her şeyde olduğu gibi bunun da bir çıkmaz sokağı var.

Çoğu yakıtta olduğu gibi hidrojen de diğerleri gibi tek başına doğada serbest bulunmaz ve başka maddelerle bileşiktir. Hidrojeni “serbest bırakmak” yani tek başına açığa çıkartmak için enerji gerekir. Net kalorifik değer (NCV) açısından, hidrojenin üretilmesi benzine göre daha maliyetlidir. Bazı araştırmacılar, hidrojenin neredeyse “enerji nötr” olduğunu, yani üretiminden kullanım noktasına ulaştığı ana kadar enerji gerektirdiğini söylüyorlar. (Bakınız Piller-1007: Net Kalorifik Değer.) 

Hidrojenin depolanması ise onun başka bir dezavantajını oluşturmaktadır. Basınçlı hidrojen, ağır çelik tanklar gerektirir ve hacimce net kalorifik değeri (NCV) sıvı petrol ürününden yaklaşık 24 kat daha düşüktür. Çok daha yoğun olan sıvı formda, hidrojenin soğuk depolama için kapsamlı bir yalıtıma ihtiyacı vardır. 

Hidrojen ayrıca metanol, propan, bütan veya doğal gaz gibi mevcut bir yakıttan hidrokarbonları ayrıştırma işlemine tabi tutan cihazlar kullanarak rafine edilme yoluyla üretilebilir. Fosil yakıtını saf hidrojene dönüştürmek az da olsa bir miktar artık karbonu açığa çıkarır, ancak bu, bir arabanın egzoz borusundan çıkan karbondan yüzde 90 daha azdır. Bir hidrokarbonları ayrıştırma işlemine tabi tutan cihaz taşımak araca hem ağırlık katacak ve yakıtın maliyetini artıracaktır; ve aynı zamanda bu ayrıştırmacılar dayanıklı değildirler. Bu hali ile hidrojen dönüşümünün enerji problemini çözmede yetersiz kaldığından net faydası tartışmalıdır.

Galli bir yargıç ve bilim adamı olan Sir William Grove, yakıt hücresi konseptini 1839’da geliştirdi, ancak buluş hiçbir zaman işe yaramadı. Bu, umut verici sonuçlar veren içten yanmalı motorun (ICE) geliştirilmesi sırasındaydı. Yakıt hücresinin pratik kullanıma sunulması 1960’larda Gemini uzay programı sırasında başladı. NASA, bu temiz güç kaynağını nükleer veya güneş enerjisine tercih etti. Seçilen alkali yakıt hücresi sistemi, elektrik yanında astronotlar için içme suyu da üretti.

Yüksek malzeme maliyetleri, yakıt hücresinin ticari olarak kullanımı için engelleyici oldu. Yakıt hücresi çekirdeği (yığını) pahalıdır ve sınırlı bir ömre sahiptir. Bir içten yanmalı motorda fosil yakıtı yakmak, enerjiyi kullanmak için en basit ve en etkili yoldur, ancak bu da  çevreyi kirletmektedir.

Yüksek maliyet, alkalin bataryanın mucidi olan Karl Kordesch’i 1970’lerin başında arabasını alkalin yakıt hücresi ile çalışır hale dönüştürmekten caydırmadı. Hidrojen tankını tavana monte etti ve yakıt hücresini ve yedek bataryaları bagaja yerleştirdi. Kordesch’e göre, arabada hala dört kişi ve bir köpek için yeterli yer vardı. Arabasını yıllarca Ohio, ABD’de kullandı, ancak Kordesch’in söylediğine göre bu geçen zaman içinde karşılaştığı tek sorun arabanın egzoz borusu olmadığı için muayenelerden geçememiş olmasıydı.

 İşte en yaygın yakıt hücresi tasarımları;

Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PEMFC)

PEM olarak da bilinen proton değişim zarı, bir polimer elektrolit kullanır. PEM, en gelişmiş ve en yaygın kullanılan yakıt hücresi sistemlerinden biridir; arabalara güç sağlar, taşınabilir bir güç kaynağı olarak hizmet eder ve ofislerde sabit bataryalar yerine yedek güç sağlar. PEM sistemi, küçük boyutta tasarıma olanak tanır ve yüksek bir enerji-ağırlık oranı sağlar. Diğer bir avantajı da, hidrojen uygularken nispeten hızlı bir başlangıçtır. Hücre yığını, 80 ° C gibi orta sıcaklıkta çalışır ve %50 verimlidir. (ICE yüzde 25-30 verimlidir.)

 Olumsuz yanı ise, PEM yakıt hücresi yüksek üretim maliyetlerine ve karmaşık bir su yönetim sistemine sahiptir. Hücre yığını hidrojen, oksijen ve su içerir ve kurumuş ise sistemi başlatmak için su eklenmelidir; çok fazla su ise taşmaya neden olur. Yığın kimyasal sınıfta hidrojen gerektirir; Daha düşük yakıt kaliteleri membranın ayrışmasına ve tıkanmasına neden olabilir. 150V’luk bir yığının 250 hücre gerektirdiği göz önüne alındığında, bir yığını test etmek ve onarmak zordur.

Donmuş su hücre yığınına zarar verebilir ve buna karşın buz oluşumunu önlemek için ısıtma elemanları eklenebilir. Hücre soğukken yavaş başlangıç yapar ​​ ve bu sürede performansı zayıftır. Aşırı ısı da hasara neden olabilir. Çalışma ısısı sınırlarının kontrol edilmesi ve oksijen sağlanması, üretilen enerjinin yaklaşık yüzde 30’unu tüketen kompresörler, pompalar ve diğer aksesuarları gerektirir. 

Bir araçta bir PEM yakıt hücresi çalıştıran PEMFC yığınının tahmini hizmet ömrü 2.000–4.000 saattir. Kısa mesafeli sürüşün neden olduğu ıslanma ve kuruma, membran stresine katkıda bulunur. Sürekli çalışan sabit yığın, yaklaşık 40.000 saat için iyidir. Yığın enerji üretimi aniden bitmez, ancak bir bataryaya benzer şekilde azalarak yok olur. Yığın değişimi çok masraflıdır.

Alkalin Yakıt Hücresi (AFC)

Son yıllarda alkalin yakıt hücresi, uzay mekiği de dahil olmak üzere havacılık için tercih edilen teknoloji haline geldi. Özellikle çoklu hücre tasarımları için üretim ve işletme maliyetleri düşüktür. PEM için ayırıcının metrekare başına maliyeti 800 ila 1,100 dolar arasında iken, alkalin sistem için aynı malzemenin maliyeti neredeyse yok denecek kadar azdır. (Bir kurşun asit batarya için ayırıcının maliyeti metrekare başına 5 dolardır.) Su yönetimi basittir ve kompresörlere ve diğer çevre birimlerine ihtiyaç duymaz. Hücrenin verimliği yaklaşık yüzde 60 aralığındadır.  Olumsuz olan tarafları ise, AFC’nin fiziksel boyut olarak PEM’den daha büyük olması ve yakıt olarak saf oksijen ve hidrojene ihtiyaç duymasıdır. Hava kirliliği olan bir ortamda, örneğin kalabalık bir şehirde, havada bulunan yoğunlaşmış karbondioksit miktarı, hücreleri çalışamaz hale getirir (zehirleyebilir) ve bu nedenle AFC’nin kullanımı çoğunlukla hava temizliğinin kontrol edilebildiği özel uygulamalarla sınırlıdır.

Katı Oksitli Yakıt Hücresi (SOFC)

Ticari elektrik üretim servisleri, erimiş karbonat, fosforik asit ve katı oksit yakıt hücreleri olmak üzere üç tip yakıt hücresi kullanır. Bu seçenekler arasında, katı oksit (SOFC) en az gelişmiş olanıdır, ancak hücre malzemesi ve yığın tasarımındaki gelişmeler nedeniyle yeniden ilgi odağına oturtulmuştur. 800–1.000 ° C gibi çok yüksek çalışma sıcaklığında çalışmak yerine, yeni nesil seramik malzeme çekirdeği çalışma ortamını daha yönetilebilir bir ısı olan 500–600 ° C’ye düşürdü . Bu, yardımcı parçalar olarak pahalı seramikler yerine geleneksel ucuz paslanmaz çelik kullanımına yol açtı.

Yüksek sıcaklık, katalitik bir dönüştürme işlemiyle doğal gazdan hidrojenin doğrudan çıkarılmasına izin verir. PEM için bir kirletici olan karbon monoksit, SOFC için bir yakıttır. Belirlenmiş bir dönüştürücü olmadan karbon bazlı yakıtları kabul edebilmek ve yüksek verimlilik sağlamak, bu tip yakıt hücresi için önemli avantajlar sağlar. Çıkan yan ürün olan buhar ile buhar jeneratörlerini çalıştırarak ayrıca elde edilen enerji, SOFC’yi yakıt hücreleri arasında, verimliliği en yükseklerden biri, olan yüzde 60 derecesine yükseltir. Kötü yanı ise, yüksek hücre dizini sıcaklığının çekirdek için üretim maliyetlerini artıran ve uzun ömürlülüğü azaltan egzotik malzemeler gerektirmesidir.

Doğrudan Metanollü Yakıt Hücresi (DMFC)

Son yıllarda taşınabilir yakıt hücreleri hep ilgi odağı oldu Bu konudaki en umut verici gelişme ise doğrudan metanollü yakıt hücresidir. Boyutları küçük olan bu küçük ünitenin üretimi ucuzdur, kullanımı kolaydır ve basınçlı hidrojen gazı gerektirmez. DMFC iyi bir elektrokimyasal performansa sahiptir ve yeniden doldurulması içindeki sıvıyı boşaltarak veya kartuşu değiştirerek yapılır. Bu da, kesinti olmadan çalışmaya devam etmeyi sağlar. 

Üreticiler, günümüzde kullanılan bataryaların doğrudan yakıt hücreleri ile değiştirilebilmesi için önümüzde daha çok zaman olduğunu kabul ediyorlar. Bu zaman aralığını doldurmak için günümüzde mikro yakıt hücreleri, yerleşik bataryanın sürekli çalışmasını sağlamak için bir şarj cihazı olarak görev alıyorlar.

Bunun yanında portatif uygulamalarda, hücrede kullanılan metanol zehirli ve yanıcı olduğu için, yolcuların bir uçakta yanlarında ne kadar yakıt taşıyabileceği konusundaki sınırlamalara takılıyorlar. 2008 yılında ABD ulaştırma Bakanlığı, yolcuların ve mürettebatın, takılı bir metanol kartuşu ve 200 ml’lik iki ek yedek kartuşa sahip onaylı bir yakıt hücresi taşımasına izin veren bir karar çıkardı.

Şekil 2, Toshiba tarafından üretilen bir mikro yakıt hücresini göstermektedir Şekil 3 ise yüzde 99,5 saflıktaki metanol ile bir mikro yakıt hücresine yapılan yakıt ikmalini göstermektedir.

Şekil 2: Mikro yakıt hücresi. Bu prototip mikro yakıt hücresi, 300 mW sürekli güç sağlayabilir.	Şekil 3: Yakıt doldurma kartuşlu Toshiba yakıt hücresi. 10 ml’lik bir tanktaki yakıt yüzde 99,5 saf metanoldür.

Gün be gün yakıt hücrelerinde yeni gelişmeler ortaya çıkıyor, örneğin Toshiba, dizüstü bilgisayarlar ve diğer uygulamalar için 20 ila 100 watt üreten prototip yakıt hücrelerini tanıttı. Bu üniteler boyut olarak küçüktür ve özgün enerjileri NiCd batarya ile karşılaştırılabilir.

Bu arada Panasonic, yakıt hücresi için günde 8 saat aralıklı kullanıldığında 5.000 saatlik bir takvim ömrü belirleyerek güç çıkışını benzer boyutta iki katına çıkardığını iddia ediyor. Bu yakıt hücrelerinin ömürlerinin kısa oluşu bir uygulamada kullanılması gerektiğinde hesaba katılması gereken bir sorundur.

Depolanan hidrojenle çalışan küçük yakıt hücreleri ile ilgili araştırmalar sürmekte. Artan verimlilik ve daha küçük boyut, saf hidrojenin metanole göre olan avantajlarıdır. Bu minyatür sistemlerde pompa ve fan yoktur ve tamamen sessizdir. 21 cc’lik bir kartuşun, 20 saatlik bir çalışma süresinle yaklaşık 10 AA alkalin bataryanın gücüne eşdeğer enerjisini sağladığı söyleniyor. Bu, taşınabilir bilgisayarlar için, kablosuz iletişim için ve yalnız başına karanlıklarda bisiklet kullanan bir sürücünün önünü aydınlatmak için kullandığı fenere yeterli enerjiyi sağlar.

Askeri ve eğlence amaçlı kullanıcılar da minyatür yakıt hücrelerini deniyor. Şekil 4, “SFC Akıllı Yakıt Hücresi” şirketi tarafından yapılan taşınabilir bir yakıt hücresini göstermektedir. Alttaki resimde görülen EFOY yakıt hücresi, günde 600 ile 2,160 watt-saat arasında değişen farklı kapasitelerde üretiliyor.

Şekil 4: Tüketici pazarı için taşınabilir yakıt hücresi.Yakıt hücresi, hidrojeni ve oksijeni elektriğe dönüştürür ve tek yan ürün temiz sudur. Yakıt hücreleri, elektrik jeneratörü olarak iç mekanlarda kullanılabilir.

Tablo 5 te, yakıt hücresi uygulamalarının tanımlarını ve yaygın yakıt hücrelerinin avantajlarını ve sınırlamalarını özetlenmektedir. Tabloda ayrıca bir süredir piyasada olan ve benzersiz avantajları olan klasik yakıt hücresi sistemleri olan Erimiş Karbonat (MCFC) ve Fosforik Asit (PAFC) de yer almaktadır.

Tablo 5: Çeşitli yakıt hücresi sistemlerinin avantajları ve sınırlamaları. Yakıt hücresi geliştirmeleri yavaş ilerlemektedir; özgün gücü düşüktür ve doğrudan bataryanın yerini alması hiçbir zaman mümkün olmayabilir.

Gelişmeler

Sınırlamalar, yavaş başlatma süreleri, düşük güç çıkışı, güç talebine yavaş yanıt, zayıf yükleme yetenekleri, dar güç bant genişliği, kısa hizmet ömrü ve yüksek maliyeti içerir. Bataryalara benzer şekilde, tüm yakıt hücrelerinin performansı yaşla birlikte düşer ve hücre dizilemesi yavaş yavaş verimini kaybeder. Bu tür performans kayıpları ICE ile çok daha az belirgindir. 

1kW altındaki yakıt hücreleri normalde basınç gerektirmez ve oksijen beslemesine yardımcı olmak için yalnızca bir fan kullanır; 1kW üzerindeki yakıt hücreleri basınç gerektirir ve bunu sağlamak için de  bir kompresör içerir ve bu da hem gürültülü yaratır hem de verimliliği düşürür. Yakıt hücrelerinin nispeten yüksek iç direnci, bir başka zorluk olarak karşımıza çıkar. Bir yığının (hücre dizilemesi) her hücresi açık devrede yaklaşık 1 volt üretir; ağır bir yük, önemli bir voltaj düşüşüne neden olur. Bataryaya benzer şekilde, güç bant genişliği yaşla birlikte azalır. Yığındaki tek tek hücrelerin de arızalara neden olduğu bilinmektedir ve buna kullanılan gazlardaki kirlilikler büyük katkıda bulunur. Şekil 6, voltaj ve güç bant genişliğini yükün bir fonksiyonu olarak göstermektedir.

Şekil 6: Taşınabilir bir yakıt hücresinin güç bandı: Yüksek iç direnç hücre geriliminin yük ile hızla düşmesine neden olur. Güç bandı 300 ile 800mA arasında sınırlıdır.

Yakıt hücreleri en etkin yüzde 30 yük altında çalışır; daha yüksek yükler verimliliği düşürür.  Hala geliştiricilerin umduğu gibi bağımsız bir güç kaynağı üretilemedi.

 Yakıt hücresinin paradoksu

Yakıt hücresi, bilim adamlarının ve bu teknoloji ile büyük paralar kazanacağını düşleyen borsa oyuncularının temiz ve tükenmez bir kaynak olan hidrojen üzerinde çalışan bir dünya hayal ettikleri 1990’lar da popülerliğin zirvesine ulaştı. Arabaların yakıt hücrelerinde çalışacağını ve ev elektriğinin de yakıt hücreleri tarafından üretileceğini tahmin ettiler. Hisse senedi fiyatları fırladı ancak marjinal performans, yüksek üretim maliyetleri ve sınırlı hizmet ömrü gerçekleri bu balonu patlattı.

Yakıt hücresinin, mikroişlemcinin 1970’lerde yaptığı gibi dünyayı dönüştüreceği söylendi. Bu dönüşümle fosil yakıtların yakılmasıyla ilgili çevresel endişeler çözülecek, temiz ve tükenmez bir enerji kaynağı kullanılabilir hale gelecekti. 1999’dan 2001’e kadar, 2.000’den fazla kuruluş yakıt hücresi geliştirmeye aktif olarak dahil oldu ve Kuzey Amerika’daki en büyük kamu yakıt hücresi şirketlerinden dördü halka açık hisse senetlerinde bir milyar ABD dolarının üzerinde para topladı.

Peki ama ne yanlış gitti? Onun cevaplarına bakalım;

Hidrojen, kendi başına bir enerji kaynağı değil, bir bataryayı şarj eden elektriğe benzer şekilde enerjiyi taşımak ve depolamak için kullanılan bir araçtır. “Sonsuz bir hidrojen kaynağını yakmayı” tasavvur etmek için, önce yakıt üretilmelidir, çünkü hidrojen, petrol ile mümkün olduğu gibi topraktan pompalanamaz. Fosil yakıt, hidrojen üretmeye yatkınken, bu değerli yakıtı hidrojeni açığa çıkarmak için almak, çıkarma maliyeti açısından doğrudan yakıt olarak kullanılması karşısında biraz mantıksızdır. Bu işlemin tek faydası sera gazlarının azaltılması ile sınırlıdır.

1800’lerin ortalarında uçakları buharla uçurma girişimi başarısızlıkla sonuçlandığı gibi, yakıt hücresinin de asla bilim adamlarının umduğu güç kaynağı olamayacağı düşünülebilir. Ancak Japonya’da otomotiv alanında ortaya atılan yeni bir ilgi odağı var. Yakıt hücreleri, minimum bakımla ve egzoz ihtiyacı olmadan dar depolama alanlarına kurulabildikleri için ofis binalarındaki UPS gibi çeşitli amaçlarla kullanılan batarya gurupları ve dizel jeneratörlerin yerini alıyor. Yakıt hücreleri, depolardaki forkliftlerin sürekli ve çevre kirliliği yaratmadan çalışmasına izin verirken, elektrik şebekesinin ulaşamadığı uzak yerlerde yakıt hücreleri temiz elektrik üretebiliyor. Erişilmek istenen asıl amaç ise temiz yakıt hücresi ile araçlara hareket gücü sağlamaktır.

Yakıt hücreleri bir gün jet uçaklarının yerdeki taksi hareketlerini elektrikli tekerlek motorları ile sağlayabilir. Bu, hava kirliliği azaltabilir ve jet motorlarını çalıştırılmaması ile yüzde 4’e kadar yakıt tasarrufu da sağlar. Bataryaları şarj ederken yakıt hücresinden üretilen su, araçta içme suyu olarak hizmet edebilir; rejeneratif frenleme, yani fren yaparken üretilecek elektrik enerjisi, bataryaların ve süper kapasitörlerin şarj edilmesine daha fazla yardımcı olabilir. Erişilmek istenen asıl amaç temiz yakıt hücreleri ile uçakları ve araçları sevk etmektir.