Çevre dostu olan yakıt hücreleri, güneş ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının sürdürülebilirlik problemini ortadan kaldırmak için en güçlü seçenek konumundadır. Yakıt hücreleri, kimyasal enerjiyi yüksek verimlilikle doğrudan elektrik enerjisine çeviren elektrokimyasal sistemlerdir. Yakıt hücreleri kullanılan elektrolitin özelliğine göre sınıflandırılmaktadır. Yakıt hücreleri, proton değişim membran yakıt hücreleri (PEMYH), alkali yakıt hücreleri (AYH), katı oksit hücreleri (KOYH), fosforik asit yakıt hücreleri (FAYH) ve erimiş karbonat yakıt hücreleri (EKYH) bulunmaktadır [2].
PEM yakıt hücresi, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olduğu için diğer yakıt hücreleri tiplerine göre daha avantajlı konumdadır. Ayrıca, düşük çalışma sıcaklığı (60 ile 80°C), hızlı başlama ve farklı güç taleplerinde hızlı yanıtlar sağlayabilmektedir. PEM yakıt hücrelerinin diğer avantajları ise düşük ağırlık ve hacme sahip olmalarıyla birlikte yüksek güç yoğunluğu içermeleridir [3]. PEM yakıt hücreleri, ulaşım, mobil cihazlar ve küçük sabit uygulamalar için kullanılmaktadır. PEM yakıt hücresinin çalışma prensibi Şekil 1’de gösterilmiştir.
Kısaca PEM yakıt hücresinde çalışma prensibi incelendiğinde, anot bölgesine hidrojen verilirken, katot bölgesine ise oksijen (saf oksijen veya hava) verilmektedir. Katalizör yardımı ile anot bölgesinde bulunan hidrojen elektronlara ve protonlara ayrılmaktadır. Protonlar, membrandan geçerken elektronlar dış devreden geçerken elektrik üretmekte ve katoda ulaşarak oksijeni indirgemektedir. Katot bölgesinde protonlar oksijen ile birleşerek su oluşturmaktadır [4]. PEM yakıt hücresindeki anot ve katot reaksiyonları aşağıda verildiği gibidir:
Anot reaksiyonu: H2 → 2H+ + 2e
Katot reaksiyonu: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Toplam reaksiyon: 2H2 + O2 → 2H2O + ısı + elektrik enerjisi
Kaynaklar
[1] Karanfil, G. (2020). Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Thermodynamics, Components and Applications. Engineer and Machinery, 61(698), 57–76.
[2] Bakangura, E., Wu, L., Ge, L., Yang, Z., Xu, T. 2016. “Mixed Matrix Proton Exchange Membranes for Fuel Cells : State of the Art and Perspectives,” Progress in Polymer Science, 57, 103–52.
[3] Authayanun, S., Im, K., Arpornwichanop, A. 2015. “A Review of the Development of High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells,” Chinese Journal of Catalysis, 36(4), 473–83.
[4] Kraytsberg, A., Ein-Eli, Y. 2014. “Review of Advanced Materials for Proton Exchange Membrane Fuel Cells,” Energy and Fuels, 28(12), 7303–30.