|
TİCARİ PİLLER
Depoladığı kimyasal enerjiyi daha sonra elektrik olarak veren bir düzenek ticari pil olarak isimlendirilir. Bazı piller iki elektrot ve uygun elektrolit içeren tek bir volta pilinden meydana gelmişlerdir. Flaş pili buna örnektir. Diğer ticari piller toplam potansiyeli arttırmak için artıdan eksiye seri bağlanmış iki veya daha fazla volta pilinden meydana gelmişlerdir. Otomobil aküsü bu türe örnek verilebilir. Bu kesimde üç tür inceleyeceğiz.
• Birincil ticari piller: Hücre tepkimesi tersinir değildir. Tepkenlerin büyük kısmı ürünlere dönüştüğünde, artık daha fazla elektrik üretilmez ve pil biter.
• İkincil ticari piller (akümülatörler) : Hücre tepkimesi aküden elektrik geçirilerek tersine dönebilir (yükleme). Böylece bir pil her boşalışından sonra yüklenerek birkaç yüz kez kullanılma olanağı vardır.
• Akış pilleri ve yakıt pilleri : Bu tür piller, içlerinden tepkenler, ürünler ve elektrolitler geçirilirken kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir.
Leclanché Pili (Kuru Pil)
Serbest sıvısı olmadığından herkesce kuru pil veya flaş pili olarak adlandırılan Leclanché pilinde, çinko anotta yükseltgenme, karbon (grafit) Katotda ise indirgenme meydana gelir. Elektrolit, MnO2, ZnCl2, NH4Cl ve karbon siyahı içeren ıslak bir macun kıvamındadır. Maksimum pil potansiyeli 1,55 V dur.
Yükseltgenme : Zn(k) → Zn2+(aq) + 2e-
indirgenme : 2 MnO2(k) + H2O(s) + 2 e- → Mn2O3(k) + 2 OH-(aq)
NH4Cl den gelen NH4+ ile OH- arasında asit-baz tepkimesi meydana gelir.
NH4+(aq) + OH-(aq) → NH3(g) + H2O(s)
Akımı bozması nedeniyle katot civarında NH3(g) artışına izin verilmez. Bu durum, Zn2+ ile NH3(g) dan [Zn(NH3)2]2+ kompleks iyonu oluşturan bir tepkimeyle önlenip, kompleks iyon, klorür tuzu olarak kristallenir.
Zn2+(aq) + 2 NH3(g) + 2 Cl-(aq) → [Zn(NH3)2]Cl2(k)
Pilin ana bileşenleri indirgenmenin olduğu grafit (karbon) çubuk olup (katot olarak çalışır) çinko kap (anottur) ve bir elektrolit görevi görür.
Leclanché pili birincil bir pildir, tekrardan dolmaz. Leclanché pilini yapmak ucuz ise de bazı sakıncaları şunlardır; pilden hızla akım çekildiğinde, ürünlerin elektrotlardaki artışı voltaj düşmesine sebep olur ve elektrolit ortamı asidik olduğundan çinko metali yavaş yavaş çözünür.
Leclanché pillerinin daha üstün bir türü, elektrolit olarak NH4Cl yerine NaOH veya KOH ın kullanıldığı bazik pillerdir. indirgenme yarı-tepkimesi yukarıda görülenle aynıdır. Bazik pilin üstünlükleri, çinkonun bazik ortamda asidik ortamdaki gibi kolayca çözünmemesi ve pilden akım çekilirken pilin voltajını koruyarak daha iyi iş yapmasıdır. Yükseltgenme yarı-tepkimesiyle Zn(OH)2(k) meydana gelir.
Zn(k) → Zn2+(aq) + 2 e-
Zn2+(aq) + 2 OH-(aq) → Zn(OH)2(k)
-------------------------------------------------
Zn(k) + 2 OH-(aq) → Zn(OH)2(k) + 2 e-
Kurşun-Asit Pili (Akümülatör)
Kullandığı kimyasal tepkimeler tersinir olduğundan bir akümülatör tekrar kullanılabilir. Yani pile yeniden elektrik akımı verilerek boşalan enerji yeniden depolanalıp kullanılabilir. Kurşun-asit pilindeki tepkenler, anotta bir kurşun ızgara içine sıkıca doldurulmuş kurşun metali, Katotta kurşun ızgara içine doldurulmuş kırmızı-kahverengi kurşun (IV) oksit ve kütlece yaklaşık % 35 lik seyreltik sülfürik asittir. Bu kuvvetli asidik ortamda H2SO4 tümüyle iyonlaşmaz. Ortamda HSO4-(aq) ve SO42-(aq) bulunur, fakat HSO4-(aq) daha fazladır. Yarı-tepkimeler ve net tepkime aşağıdaki gibidir.
İndirgenme : PbO2(k) + 3 H+(aq) + HSO4-(aq) + 2 e- → PbSO4(k) + 2 H2O(s)
Yükseltgenme : Pb(k) + HSO4-(aq) → PbSO4(k) + H+(aq) + 2 e-
------------------------------------------------------------------------------------
Net Tepkime : PbO2(k) + Pb(k) + 2 H+(aq) + 2 HSO4-(aq) → 2 PbSO4(k) + 2 H2O(s)
Akü, enerjiyi kimyasal konumda depolayan elektro kimyasal bir cihazdır. Bir elektrik devresiyle bağlantı kurulduğunda, kimyasal enerji, elektrik enerjisine dönüşür. Bütün aküler yapısal olarak birbirine benzer ve bir grup elektro kimyasal hücreden oluşur. Her hücre bir pozitif, bir negatif elektrot ve bir ayıraçtan (seperatörden) oluşur. Akü Deşarj edilirken iki elektrotun içinde bulunan farklı materyaller arasında elektro kimyasal bir değişim meydana gelir.
Elektronlar pozitif ve negatif elektrotlar arasında hareket ederken bir dış devreyi de faaliyete geçirir (Farlar, marş motoru vs.)
ÇEŞİTLİ AKÜ TİPLERİ
Enerjiyi depolamak için farklı materyaller kullanılabilir ve aküler genellikle o akünün yapısında aktif olarak kullanılan materyalle tanımlanırlar. (Nikel/kadmiyum, nikel/demir veya lityum/demir.)
Diğer akülerse elektrotlarda bulunan diğer tıp materyallerle ve kullanılan elektrolit tipine göre adlandırılırlar. En yaygın olanları kurşun asit aküleridir. Kullanılan aktif materyal, hücrelerin voltajını belirler ve hücrelerin sayısı da akünün toplam voltajını belirler.
Bir kurşun asit akünün 2 V. civarında nominal voltajı vardır. Bir çok araba aküsü bu tip 6 hücreden oluşmaktadır. Bu yüzden 12 V. lik bir voltaja sahiptirler.
AKÜNÜN İÇİNDE NE MEYDANA GELİR?
Akü deşarj edildiğinde her iki elektrottaki aktif maddelerde elektro-kimyasal bir değişim olur. Çok basit anlamda, negatif elektrottaki madde oksijenle tepkimeye girerek elektronlarını serbest bırakır, yani daha negatif bir konuma gelir. (Anot reaksiyonu). Aynı zamanda pozitif elektrottaki madde azalır ve elektrot daha da pozitifleşir (Katot reaksiyonu) Elektronlar pozitif ve negatif kutupları birleştiren bir dış devre aracılığıyla elektrotlar arasında dolaşır.
MARŞ AKÜLERİNİN FARKLI TİPLERİ
Geleneksel açık aküler (Conventional); elektrolit ile doldurulabilir. Bakım gerektirmeyen aküler (Maintanance-free); doldurulamaz Yeniden bileşim aküleri (Recombinations); doldurma gerektirmez, çünkü aküde bulunan hidrojen ve oksijen gazları birleşerek suya dönüşürler.
GÜNÜMÜZ MARŞ AKÜLERİNDE ARANAN ÖZELLİKLER
- Motor çalıştırılırken her defasında yüksek akım vermelidir.
- Bir kaç çalıştırma girişiminden sonradaki çabucak çalıştırma yapabilmektedir.
- Bir çok marş motoru ve marş motor devri ile uyum sağlamalıdır.
- Çok sıcak ve çok soğuk iklim koşullarında çalışmalıdır.
- Çok büyük ve ağır olmamalıdır.
- Küçük yerlere rahatça monte edilebilmelidir.
- Titremeye, darbeye ve sarsıntıya karşı dayanıklı olmalıdır.
- Büyük çarpmalardan sonra dahi kırılmamalı ve akıntıya sebebiyet vermemelidir.
- Kullanımı ve şarjı kolay ve güvenli olmalıdır.
- Modern arabaların elektronik sistemlerinin verimli olarak kullanımı için gerekli olan enerji açıklığını doyuracak bir özelliğe sahip olmalıdır.
- Yavaşça kendini şarj etmelidir, yüksek rezerv kapasiteli ve uzun ömürlü olmalıdır.
- Tekrar şarj edilmesi kolay ve çabuk olmalıdır.
- Farklı şekillerde monte edilmesi mümkün olmalıdır. Bakım gerekmemelidir.
AKÜLER VE SOĞUK
Soğuk havalarda akülere neler olduğu konusunda bir çok yanlış kanı mevcuttur. İnsanlar genellikle aküler düşük ısılarda, soğuk havalarda kapasitelerini kaybetmezler diye düşünürler. Ama bu genellikle yanlıştır, kaybederler. Hem de enerji sağlama yetenekleri azalır.
Derece düştükçe aküdeki kimyasal reaksiyon yavaşlar. -10C°' den sonra her derece ısı düşüşünde kimyasal reaksiyon süresi ikiye katlanır.
Bu yağın soğuk havadaki özelliğiyle kıyaslanabilir. Derece düştükçe yağ akışkanlığını gittikçe yitirir.
Kimyasal terminolojide kurşun plakaların içinde durduğu asit , kurşun plakalara doğru kurşun sülfat olmak için içindeki sülfiri harekete geçirir ve bu hareket tekrarlanır, işte belirtilen bu hareket soğuk havalarda oldukça yavaşlar.
Soğuk havada rezistans yükseldiğinden, aküden alınan akımın voltajı düşer.
AKÜLER ÜZERİNDE ISININ ETKİLERİ
Akünün gücü ısı ile temas halinde olduğu zaman azalır (aküler fonksiyonlarını en iyi + 10C° ile +30C° arasında gösterirler)
Akünün gücünde aşırı ısıdan dolayı meydana gelen azalma, aküyü soğuk havada kullanmadan anlaşılmaz. Bunun sebebi akünün yüksek ısıda kullanıldığında ortaya çıkan aşınmadır.
SORUN, kimyasal reaksiyonun yüksek derecelerde daha hızlanmasıdır. Akü daha çabuk enerji üretir, bu da elektrotlardaki aşınmanın artması demektir. Buna ilaveten gaz oranı yükselir. Su buharlaşır ve aşınmayı daha da hızlandıran asit daha çok yoğunlaşır.
Isı sorunu, sadece aracın sıcak iklimde kullanılmasında ortaya çıkmaz. Eğer akü bir ısı kaynağının yanına veya sıcak bir bölüme konulursa akünün ömrü belirgin bir şekilde kısalır.Bu sebepten ötürü, akü sıcak bir ortamda kullanılacağı zaman ısıdan korumak için levhalar kullanılır.
AKÜLERİN ŞARJ EDİLMESİ
Bir kurşun asit aküsü dışardan bir güç kaynağıyla şarj edildiğinde deşarj süresi oluştuğu gibi, elektrotlar zıt yöne giderler. Bunun oluşması için dış güç kaynağının aküden daha çok enerji üretmesi gerekmektedir.
Her kurşun asit ünitesi takriben 2V üretir. Bu da şarjın amacına göre 10V' luk bir araba aküsü için her üniteye 2.2-2.4 V ya da toplam 13.2-14.4 V verilmesi anlamına gelir.
Bir marş aküsü genellikle aracın kendi jeneratörü tarafında şarj edilir. Fakat hepimizin de bildiği gibi akü herhangi bir nedenle boşalmış olabilir. Yani bir akünün doldurma cihazına ihtiyaç duyduğu an gelmiştir.
AKÜ DOLDURMA CİHAZLARI
Aküyü şarj etmek için güvenilir bir şarj cihazı gereklidir ve bu cihaz mutlaka voltaj regülatorü olmalıdır.Bizim genelde uyguladığımızın tersine şarj süreci oldukça karmaşıktır. Bununla birlikte biz sadece aküyü şarj ederken çıkabilecek pratik sorunlarla ilgileniyoruz.Güvenlik açısından kimse piyasada bulunan basit destekleme şarj cihazlarını kullanmamaktadır.
AŞIRI YÜKLEME
Aşırı yükleme akünün belirtilen noktanın üzerinde şarj edilmesi ile ortaya çıkan yaygın bir hatadır.
OKSİ - HİDROJEN GAZI
Geleneksel akülerde aşırı yükleme hidrojen ve oksijenin birikmesine ve uçup gitmesine sebep olur. Bu gazlar patlayıcı oksi-hidrojen karışımı halini alırlar. Bu yüzden bu işlem daima iyi havalandırılmış yerlerde yapılmalıdır.Aküde gaz oluşurken, dereceyi düşüren ve yoğunluğu arttıran elektrolitten su buharlaşır. Açıkta kalan elektrotlar hasar vermeye meyillidir.Aşırı yüklemede meydana gelen su kaybını tamamlamak için akülere arıtılmış su konulur.Aşırı yüklemeden meydana gelen bu etki genellikle gözle görülmez ve akünün ömrünün kısalması ile sonuçlanır.
Gümüş-Çinko Pili: Düğme Pil
Bir gümüş-çinko hücresinin diyagramı aşağıdaki gibi yazılabilir.
Zn(k), ZnO(k) | KOH(doygun) | Ag2O(k), Ag(k)
Boşalma sırasındaki yarı-tepkimeler aşağıdaki gibidir.
indirgenme: Ag2O(k) + H2O(s) + 2 e- → 2 Ag(k) + 2 OH-(aq)
Yükseltgenme : Zn(k) + 2 OH-(aq) → ZnO(k) + H2O(s) + 2 e-
-----------------------------------------------------------------------
Net Tepkime : Zn(k) + Ag2O(k) → ZnO(k) + 2 Ag(k)
Net tepkimede çözelti olmadığından, elektrolit miktarı çok azdır ve elektrotlar birbirine çok yakın tutulabilir. Gümüş-çinko hücresinin depolama kapasitesi aynı boyuttaki kurşun-asit hücresininkinden yaklaşık altı kez daha büyüktür. Bu sebepler gümüş-çinko hücresini “düğme” pil olarak kullanışlı yapar. Bu çok küçük piller saatlerde, elektronik hesap makinelerinde, işitme cihazlarında ve fotoğraf makinelerinde kullanılabilir.
Nikel-Kadmiyum Pili: Yeniden Yüklenebilir Pil
Nikel-kadmiyum pili veya nikad pili genelde elektrikli traş makineleri ve el hesap makineleri gibi kordonsuz elektrikli cihazlarda kullanılır. Bu pildeki anot kadmiyum metalidir, katot ise nikel metali üzerine tutturulmuş Ni(III) bileşiği NiO(OH) dir. Nikel-kadmiyum pilinin boşalımı sırasındaki yarı-hücre tepkimeleri aşağıdaki gibidir.
indirgenme : 2 NiO(OH)(k) + 2 H2O(s) + 2 e- → 2 Ni(OH)2(k) + 2 OH-(aq)
Yükseltgenme: Cd(k) + 2 OH-(aq) → Cd(OH)2(k) + 2 e-
---------------------------------------------------------------------------------
Net Tepkime : Cd(k) + 2 NiO(OH)(k) + 2H2O(s) → 2 Ni(OH)2(k) + Cd(OH)2(k)
Bu pil 1,4 V luk oldukça sabit bir voltaj verir ve pili bir dış voltaj kaynağına bağlayarak yeniden yüklerken yukarıdaki tepkime tersine döner.
Yakıt pilleri
Kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elemanlardır. Yakıt pili, fosil yakıtlarının yakılması yerine, yakıt ile oksijenin elektro-kimyasal reaksiyonu sonucunda enerji üreten bir tür bataryadır. Yakıt olarak genellikle hidrojen kullanılmaktadır. Ancak metan, doğal gaz, etanol, metanol ve son dönemlerde bezin kullanabilen yakıt pilleri denemelerinden de olumlu sonuç alınmıştır. Oksijenle hidrojenin reaksiyonu su ürettiğinden, bu reaksiyondan kirletici ürün çıkışı söz konusu değildir.
Yakıt pili güç sistemlerine karşı ilginin giderek artması, temiz çevre, küresel ısınma, enerji kaynaklarının tükenmeye yüz tutması ve var olan kaynakların politik olarak kararsız bölgelerde bulunması gibi olumsuzluklardan kaynaklanmaktadır. Batarya ile güçlendirilen elektrikli taşıtların gelişmeleri, bu taşıtların kullanım sınırlamalarının anlaşılmasını da kolaylaştırmıştır. Yakıt pilleri, çevresel özellikler bakımından bataryalara eş değerde veya daha iyi karakteristiklere sahiptir ve bataryalı taşıtlarla karşılaşılan kullanma sınırlamalarına sahip değildir
(1). Yakıt pillerinin, özellikle temiz ulaşıma çözüm araştırmaları kapsamında, otomotiv enerji kaynağı olarak kullanımı konusundaki çalışmalar giderek yoğunlaşmaktadır. Şekil 1 'de yakıt pili ile güçlendirilen iki test otomobili görülmektedir. Enerji üretimi ve otomotivle ilgili birçok firma, 21. yüzyılın ulaşım ihtiyacını karşılamak üzere, çevre basıncında çalışan, yakıt türüne karşı esnek, tasarımı basit, imalatı ve kullanımı kolay yakıt pili sistemlerinin geliştirilmesi amacıyla çalışmalar yapmakta, bazıları üretim yapabilecek aşamaya geldiklerini ifade etmektedirler
(2). Yakıt pillerinin işlevsel anlamda bilinen normal tersinir bataryalardan farkı, bataryalarda iki şarj arasında belirli bir elektrik enerjisi geriye alınmasına karşı, yakıt pillerinde oksitleyici ve yakıtın pilden geçtikleri sürece elektrik enerjisi üretiminin devam etmesidir. Yüksek verimleri sayesinde enerji tasarrufu sağlayan bir güç kaynağı olarak yakıt pilleri, gelecekteki otomotiv kullanımı için ümit vermektedir. Benzin motorlarının iki...üç katı olan % 60 'ın üzerindeki termik verimlerine ek olarak , düşük gürültü düzeyi, düşük egzoz emisyonları ve düşük ısı atma talebi bakımından da avantajlıdırlar. Yakıt pillerinin temiz taşıt teknolojisinde devrim yapacağı iddia edilmektedir
(3). Reformer ve elektriki dönüştürücülere bağlı olarak toplam sistem verimlerinin % 37 kadar olduğu belirtilmektedir
Şekil 1 Yakıt pili ile güçlendirilen iki otomobil (Ford ve Necar4)
ÇALIŞMA PRENSİBİ
Yakıt pilinin çalışma prensibinin daha kolay anlaşılması için, kimya derslerinde anlatılan suyun elektrolizi deneyi hatırlanmalıdır. Bu deneyde H biçimli bir büretteki suya doğru akım uygulandığında, oransal hacimlerde oksijen ve hidrojene ayrışmaktadır. Elektrik enerjisi uygulandığında su bileşenlerine ayrıştığına göre, mantıksal olarak işlemin ters yönde düzenlenmesi halinde, yani oksijen ve hidrojenin reaksiyonu sonucunda su elde edilirken, elektrik enerjisi alınmalıdır. Bu tür bir reaksiyon ilk defa 1839 yılında W. R. Grove tarafından platin elektrot kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bilinen ısı motorlarında hava ve yakıt sisteme girmekte, sistemden yanma ürünleri ve ısı çıkışı olurken iş yapılmaktadır. Bir güç ünitesinin esas amacı, yakıtın enerjisini fiyat, performans ve güvenlik seçeneklerini de dikkate alarak, en verimli yoldan işe dönüştürmektir.
Büyük ölçüde tersinmez olan yanma işleminde, yakıtın kimyasal bağ enerjisi yanma ürünlerinin iç enerjisine dönüşmekte ve bu enerji bir ısı makinesinde mekanik işe dönüştürülerek kullanılmaktadır. Bir ısı makinesi ile ulaşılabilecek maksimum verim Carnot çevriminin verimi ile sınırlanmış olmakla birlikte, malzemelerin mekanik ve termik gerilimleri ve tersinmezlikler nedeniyle, maksimum verimler gerçekte % 40 lar düzeyinde kalmaktadır.
Kimyasal enerjinin önce ısı sonra mekanik enerjiye dönüştürülmesi yerine, daha yüksek verimle doğrudan doğruya elektrik enerjisine (ki bu da termodinamik açıdan mekanik enerjiye eşdeğerdir) dönüştürüldüğü yakıt pili ise Carnot çeviriminin sınırlamalarından bağımsızdır ve % 60 'ın üzerindeki termik verimlere ulaşılabilmektedir. Yakıt pilleri uygulamada, çalışma sıcaklığı, elektrolit tipi ve yakıt tipine göre sınıflandırılmaktadır . Yakıt pilinin çalışma sıcaklığı 150°C 'den düşükse, "düşük sıcaklık yakıt pili", 500...1000°C arasında ise "yüksek sıcaklık yakıt pili" olarak adlandırılmaktadır. Düşük sıcaklık yakıt pillerinin hidrojen gibi basit yakıt ve platin gibi iyi ve pahalı katalist gerektirmelerine karşı, yüksek sıcaklık yakıt pilleri hidrokarbon yakıt ve daha ucuz katalist kullanabilme potansiyeline sahiptir.
Kullanılan elektrolit asidik veya sıvı, katı veya sıvı-katı karışımı içerisinde alkalin biçiminde olabilir. Kullanılan yakıtlar genellikle hidrojen, doğal gaz (metan), metanol ve propandır (7). Şekil de, Union Carbide firması tarafından geliştirilen, çevre havası ve hidrojen kullanan bir yakıt pilinin şeması görülmektedir. Pilde, elektrolit olarak potasyum hidroksil (KOH) eriyiği kullanılmakta ve pil esas olarak iç içe geçmiş gözenekli iki karbon tüpten oluşmaktadır. İç tüpten hidrojen akışı başladığı anda pilde elektrik üretimi başlamaktadır. Dış tüp ise hava ile temastadır ve bu tüpten geçerken oksijen havadan ayrışmaktadır.
Çevre havası ve hidrojen kullanan yakıt pili
H2|KOH|O2
ifadesiyle tanımlanan pilin hidrojen elektrotunda;
H2 +2 OH- --> 2 H2O + 2 e-
oksijen elektrotunda;
½ O2 +2 H2O + 2 e- --> 2 OH-
ve toplam;
H2 + ½ O2 --> H2O
Kimyasal reaksiyonları olmaktadır. KOH 'un yapısında herhangi bir değişiklik olmamaktadır. Şekilde yakıt olarak metan gazını ve oksitleyici olarak ta oksijeni kullanan bir yakıt pili şeması görülmektedir. Pil esas olarak iki elektrot ile bunların arasındaki elektrolitten oluşmaktadır. Temas yüzeyini artırmak amacıyla elektrotlar gözenekli bir malzemeden yapılmıştır. Dış devrede elektronlar anottan katoda doğru akmaktadırlar. Metan gazı anodun olduğu taraftan, oksijen de katodun olduğu taraftan pile girmektedir. Elektrolitin yakıt veya oksijen tarafına geçmemesi için, gaz basınçlarının elektrolit içersinde kabarcık çıkarmayacak düzeyde olması gerekmektedir.
Metan ve oksijen kullanan yakıt pili (şematik)
Anot ile elektrolit arasında,
CH4 + 2H2O --> CO2 8H+ + 8e- (1)
reaksiyonu olmakta; elektrotlar dış devre boyunca ve hidrojen iyonları da elektrolitten geçerek katoda ulaşırken, karbondioksit sistemi terk etmektedir. Katottaki reaksiyon ise;
8 H+ + 2O2 + 8 e- --> 2H2O + 2H2O (2)
şeklindedir. Pilde yakıt ile oksijen molekülleri arasında doğrudan temas bulunmamaktadır. Elektrotlar, yakıt moleküllerindeki yörüngelerinden yanma ürünlerindeki yörüngelerine ancak dış devreden geçerek ulaşabildiklerinden, dış devrede iş yaparak enerjileri azalmış olarak katoda geçmektedirler. Katoda ulaşan elektronlar, elektrolitten geçerek katoda ulaşan iyonlarla birlikte yanma ürünlerini oluşturmaktadırlar. buradan da açıkça anlaşılacağı gibi, anot ile katot arasındaki potansiyel fark süresince elektrik akımı olacaktır ki bu da termodinamikte iş demektir.
BASİT YAKIT PİLİ HESAPLAMALARI
Yakıt pilinden elde edilebilecek maksimum iş;
Wt = - DG (3)
ve pilin ideal verimi;
hi = Wmax/hf° (4)
ile hesaplanabilir (8) . Burada;
DG : sıvı ürünlerin oluşum gibbs fonksiyonu değişimi, kJ/kmol
Wmax : yakıt pilinden elde edilecek maksimum iş, kJ/kmol yakıt,
hf° : sıvı ürünlerin oluşum entalpisi, kJ/kmol dur.
Pilin elektrik potansiyeli e;
e = Wmax / Qe (5)
ve dış devreden geçen elektrik yükü Qe ;
Qe = e NA ne (6)
eşitlikleriyle hesaplanabilir.
Burada;
e : elemanter yük (1,6022. 10-19 coulomb/elektron),
NA : avogadro sayısı (6,02217. 1026 elektron/kmol elektron)
ne : elektron mol miktarı, kmol
ve Faraday sayısı;
F = e.NA = 96487 kJ (kmol . volt)
yazılırsa, pilin elektrik potansiyeli (volt olarak);
e = Wmax / 96487.ne ( 7 )
olur. Yukarıdaki eşitlikler kullanıldığında, örneğin bir hidrojen-oksijen yakıt pilinin ideal verimi 0,83, kutuplar arasındaki elektrik potansiyeli 1,23 V bulunmaktadır. Gerçekte elde edilen gerilim değerleri, işlemlerin tersinmezliği nedeniyle bu hesaplamalarla belirlenenden bir miktar küçük olmaktadır.
Yakıt pillerinin verimlerinin artırılması;
a. Gaz yakıt-elektrot-elektrolit temas yüzeylerinin artırılması (ör. gözenekli elektrot kullanımı),
b. Elektrotlarla birlikte veya elektrotlar üzerinde katalistlerin kullanımı,
c. Daha uygun elektrolitin bulunması,
d. Basıncın artırılması,
e. Sıcaklığın artırılması,
f. Uygun yakıtın ya da yakıt değişikliğinin sağlanması,
gibi faktörlere bağımlıdır.
UYGULAMALAR
Yakıt pili kullanan ve araştırma amacıyla imal edilen ilk taşıt, yakıt pili ve batarya kullanan hybrid bir taşıttır. Yakıt pili ile batarya birbirine paralel bağlanmıştır. Yakıt pili, kararlı sürüş güç kaynağı ve batarya şarjı için kullanılırken; batarya, ilk hareket ve hızlanma için geçici olarak ilave güç sağlamaktadır.
Bataryadan olabilecek ters akım, bir diyotla önlenmektedir. Şekilde şematik olarak görülen fosforik asit (H3PO4) elektrolitli yakıt pili, günümüzde teknolojik olarak en fazla geliştirilmiş olan yakıt pili olarak tanımlanmıştır
Pilin, çevre havasını kullanabildiği ve bazı ilave elemanlarla, metanol gibi yakıtlardan hidrojen elde ederek kullandığı, yakıt akışının, solenoid uyartımlı üç valf ile yakıt pili akımına bağımlı olarak kontrol edildiği bildirilmiştir. 15 kW gücündeki böyle bir pilin akım voltaj grafiği Şekil de verilmiştir. Pilin ağırlığının
237 kg, hacminin 0,25 m3 olduğu, atmosferik basınçta ve 177 °C çalışma sıcaklığında, 87 voltta 181 amper verdiği, pilin güç düzeyinin, eleman sayısı veya aktif yüzey alanı ile değiştirilebildiği ifade edilmiştir.
&n
|
