İnsanoğlunun, enerjiye olan ihtiyacı şüphesiz insanlık tarihi kadar eskidir. İhtiyaç duyulan enerjinin üretilmesi maksadıyla her dönem farklı sistemler geliştirilmiştir. Bizleri yaratan Rabb'imiz (celle celâluhu), ihtiyacımız olan enerjiyi üretmek için kaynaklar da var etmiştir; ancak o enerjinin nereden ve nasıl elde edileceği, insanoğlunun gayretine bırakılmıştır. Bu yüzden, enerji temini, insanlığın en önemli araştırma konularından biri olmuştur.

Hâlık-ı Zülcelâl (celle celâluhu) yarattığı canlılar için Güneş'i temel enerji kaynağı kılmıştır. Kullanılan birçok enerjinin kaynağı olan Güneş'e dâir hakikatler, Nahl Sûresi'nde mealen; "O, geceyi, gündüzü, Güneş'i ve Ay'ı sizin hizmetinize verdi. Bütün yıldızlar da O'nun emriyle sizin hizmetinize verilmiştir. Şüphesiz bunlarda aklını kullanan bir millet için ibretler vardır." ifadesiyle idraklere sunulmuştur. Her dönemde olduğu gibi günümüzde de birçok ilim insanı asıl kaynağını Güneş'ten alan diğer enerji kaynaklarının daha temiz, daha az maliyetli ve yenilenebilen formunu keşfetmek için çalışmalar yapmaktadır.

Günümüzde hızlı nüfus artışı, gelişen teknoloji ve endüstri; enerji ihtiyacımızın da hızla artmasına sebep olmaktadır. 2013 itibariyle dünyada kullanılan enerjinin çok büyük bir kısmı (yaklaşık % 86) fosil yakıtlardan elde edilmiştir. Fosil yakıt rezervlerinin tükeniyor olması yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarını daha da önemli kılmıştır. Günümüzde, elektrik enerjisi üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Bunlardan birisi de fosil yakıtlara alternatif olarak geliştirilen yakıt pilleridir.

Günlük hayatta el feneri, radyo, oyuncak gibi cihazlarda kullandığımız pillerle yakıt pili arasında fark var mıdır?

Klâsik piller, depoladığı kadar enerji verir ve sonra atılır. Yakıt pilleri ise, enerji depolayan değil, üreten sistemler olarak tasarlanmıştır. Klâsik pillerin kısa ömürlü olmalarının yanında çevreye de çok ciddi zarar verdikleri düşünülürse, yakıt pillerinin, pek çok üstünlükleri vardır:

• Çevre dostu olması,
• Yüksek enerji üretimi,
• Sessiz çalışma özelliği,
• Dayanıklı olması,
• Yüksek verimlilik,
• Alternatif yakıt çeşitliliği,
• Uzaktan işletim

Bu kadar avantajı olan bir sistem, günlük hayatımızda niçin yaygın olarak yer almamaktadır? Yakıt pilleri; kurulum için uzun zaman gerektirmesi, kullanım konusunda ileri seviyede bilgi ve teknolojiye ihtiyaç duyulması ve sistemin kuruluş maliyetinin yüksek olması sebebiyle hak ettiği kullanım alanını henüz bulamamıştır. Tabii ki petrol kartellerinin bu mevzudaki müdahalelerini de göz ardı etmemek gerekir.




İlk yakıt pili, 1839'da Sir William Grove tarafından geliştirilmiştir. NASA ilk defa 1952'de uzay aracının elektrik enerjisini sağlamak maksadıyla yakıt pillerini kullanmıştır. 1960'larda yakıt piliyle çalışan ilk traktör yapılarak, bu pillerin ulaşımda kullanılabileceği ispatlanmıştır. 1966'da General Motor yakıt piliyle çalışan Elektro-Van adlı bir araç geliştirmiştir (Şekil-1). Bu gelişmeleri 1980'lerde yakıt piliyle çalışan tren, 1990'larda denizaltı ve uçak takip etmiştir. Bütün bu uygulamalara ilâveten yakıt pilleri son yıllarda güç santrallerinde de yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır.



Yakıt pili sisteminde temel olarak anot, katot ve elektrolit malzeme bulunur. Şekil-2'de görüldüğü gibi bu sistemde; anota gönderilen yakıttan (hidrojen) ayrılan elektronlar, bir dış devre üzerinden yoluna (katoda doğru) devam ederken, elektronları ayrılan hidrojen iyonları elektrolit üzerinden katoda doğru hareket eder ve burada anottan gelen elektronlar hava ile reaksiyona girerek devre tamamlanır. Böylelikle dış devreden dolaştırılan elektronların bulunduğu kolda elektrik akımı oluşur.

Günümüzde yakıt pilleri farklı maksatlarla üretilmektedir. Beslenen yakıt ve oksitleyici bileşen türüne, beslenen yakıt pilinin pil dışında veya içinde "kullanışlı yakıta" dönüştürülmesine göre, yakıt pillerini sınıflandırmak mümkündür. Bunların yanında, çalışma sıcaklıkları veya elektrolitlerin farklılığı da bu sınıflandırmada kullanılan değişkenlerdendir. En yaygın tasnif, kullanılan elektrolitin türüne göredir.



Katı oksit yakıt pilleri
Katı oksit yakıt pilleri, kimyevî yakıtların doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi için şimdiye kadar bulunanların en verimlisidir. Bu pillere dâir temel fikirler, 19. asrın sonlarında Nernst ve arkadaşları tarafından ortaya atılmıştır. Bununla birlikte, aradan bir asırdan fazla zaman geçmiş olmasına rağmen, hâlâ yeni teoriler ileri sürülmekte ve deneyler yapılmaktadır.

Katı oksit yakıt pilleri, genel olarak 1 kW ila 2 MW arasında güç elde edilebilecek şekilde tasarlanmıştır. Evimizde bir odayı aydınlatmak için kullandığımız tasarruflu ampulün 20 Watt olduğu düşünülürse bir katı oksit yakıt piliyle 50 ila 100.000 odanın aydınlatılabileceği hesaplanabilir. Bu yakıt pilleri 600 °C – 1.000 °C arası sıcaklıklarda çalıştırılmakta ve çıkan atık gazlar başka bir gaz türbininde kullanılarak elektrik verimi artırılabilmektedir. Bu tür hibrit sistemlerde verim % 70'e kadar ulaşabilmektedir. Bu pillerde oksijen iyonları, yüksek sıcaklıkta anot tarafında hidrojenle tepkimeye girmek üzere katı oksit elektrolit malzeme üzerinden taşınmaktadır (Şekil–3). Katı oksit yakıt pilinde anot ve katotta gerçekleşen reaksiyon şu şekildedir:

- Anot: 2H2+2O2–→2H2O+4e–
- Katot: O2 + 4e–→ 2O2–
- Hücredeki ana reaksiyon: 2H2+O2→2H2O

Katı oksit yakıt pillerinin diğer yakıt pillerine göre avantajları:

* Bütün yakıt pillerine göre daha yüksek verimlidir (% 50–70).
* Uzun ömürlüdür (40.000–80.000 saat).
* Platin ve altın gibi değerli maddelerden ziyade kolayca elde edilebilen seramik malzemelerden üretilir.
* Elektrolitlerin çalışmasında daha az problemle karşılaşılır.
* Dönüştürülebilir atık üretilir.

Yakıt pilleri, henüz yaygınlaşmasa da, uzay çalışmalarında, askerî alanlarda, kesintisiz güç sistemlerinde, taşınabilir güç kaynaklarında, atık su arıtmada ve taşıtlarda kullanılmaktadır. Sanayileşmiş ülkelerde katı oksit yakıt pil sistemleriyle enerji üretimi ve kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Meselâ Tokyo'nun elektrik ihtiyacının 40.000 kW'lık (40 MW), Rokko adasının ise 11.000 kW'lık (11 MW) kısmı katı oksit yakıt pillerinden karşılanmaktadır. Amerika, Japonya ve Almanya'daki bazı alışveriş merkezleriyle ev ve apartmanların elektrik ihtiyaçları katı oksit yakıt pillerinden karşılanmaktadır.

2009 yılında Nissan firması, Nissan X-trail FCV (Fuel Cell Vehicle) adlı bir mode­lin­de katı oksit yakıt pili kullanmaya başlamış ve yaklaşık % 40 verim elde etmiştir.
1 cm³ hacmindeki bu yakıt pilinin hidrojen yakıtıyla 550 °C çalışma sıcaklığında 2 kW kapasitede olduğu belirtilmiştir. DELPHI şirketinin ürettiği, ticarî ve askerî alanda kullanılan katı oksit yakıt pilleri, 5 kW kapasitede olup yaklaşık % 40-50 verimle çalışmaktadır. Bu yakıt pillerinin diğer mühim bir avantajı da hem gürültüsüz hem de sıfır emisyonla çalışmasıdır. İsveç'in, UNDINE adlı arabalı feribotunda 2010 yılında kullanmaya başladığı katı oksit yakıt pilleriyle 20 kW güç elde edilmekte, limandaki navigasyon âletleri ve telsizler çalıştırılmaktadır.

Taşınabilir cihazlarda yakıt pilinin kullanılmasına dâir pek çok çalışma yürütülmektedir. Dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları için tasarlanan yakıt pilleri, henüz prototip aşamasında olup birkaç yıl içerisinde satışa çıkması beklenmektedir. Şu ânda kullandığımız pillerle en fazla birkaç gün dayanan cep telefonları, yakıt pilleri teknolojisinin piyasaya çıkmasıyla beraber 1 ay kesintisiz kullanılabilecek hâle gelecektir. Ayrıca şu anda ortalama 3–4 saatlik batarya süreleriyle kullanılabilen dizüstü bilgisayarlar da 2–3 gün kesintisiz olarak hizmet sunabilecektir. Portatif uygulamalar denebilecek bu cihazlar, sivil kullanım dışında askerî uygulamalar için de uygun vasıftadır. Mobil uygulamalar bilhassa kara, hava, deniz ve uzay araçlarına daha fazla katkılar sağlayacaktır. Sabit uygulamalar bakımından ise, daha çok yerleşim merkezleri dışında kurulan dev santraller yerlerini, daha mahalli enerji santrallerine bırakabilecek, böylelikle enerji iletim hatları kısalacak ve kayıplar düşürülebilecektir. Bu sistem ev ölçeğinde bile uygulanabilecektir.



Yakıt pillerinin günümüzde kullanım alanlarının arttırılabilmesi için kurulum maliyetinin düşürülmesi, teknolojisinin geliştirilmesi gayretleri devam etmektedir. Netice itibariyle, enerjiye olan bağımlılığımızın gün geçtikçe arttığı bir dünyada alternatif ve yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanılan yakıt pilleri ve bilhassa katı oksit yakıt pilleri gelecek yılların mühim enerji üretim sistemlerinden biri olmaya namzettir. Enerjide dışa bağımlı olan ülkemiz için de bu büyük bir fırsat olarak görülmelidir. Bu konunun öncelikli araştırma ve yatırım alanı olarak değerlendirilmesinde büyük faydalar söz konusudur.


Kaynaklar


- Grove, W.R., (1839), On voltaic series and the combination of gases by platinum. Philosophical Magazine and Journal of Science, 14 (86);127.

- Stone, C., Morrison, A.E., (2002), From criosity to 'power to change the world'. SolidState Ionics, 152-153:1-13.

- Bıyıkoğlu, A., (2003). "Yakıt hücrelerinin tarihsel gelişimi, çalışma prensipleri ve bugünkü durumu", G.Ü. Fen Bilimleri Dergisi, 16(3):523-542.

- Veli Çelik-Erdal Oral, "Hidrojen Yakıtlı Motor Teknolojisi", Mühendis ve Makina - Cilt: 46 Sayı: 540

- Yılmaz Yıldırım(2011), Yakıt Pilleri Ders Notları, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

- Durmuş S., Bozoklu M., Gökkoyun M., Erat S., Braun A., Metin H., Arı M., (2009). Electrical properties and crystallographic characterization of Gd2O3 doped Bi2O3 polymorph, San Francisco, CA:Materials Research Scociety. Abstract no:R5.23

- Jung, S., Eric D. Wachsman and Naixiong Jiang,(2002). Structural Stability and Conductivity of Cubic (WO3)x- (Dy2O3)y- (Bi2O3)l.x.y, International Jounal of Ionics, Volume 8, Numbers 3-4 , 210- 214.

- Tu, H., Stimming U., (2004). Advances, aging mechanisms and lifetime in solid-oxide fuel cell, Journal of Power Sources, 127 (1-2) :284–293.