Hidrojen yakıt hücreleri, hidrojende depolanan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Perflorosülfonik asit membranlar kullanan düşük sıcaklıklı (<100 °C) proton değişim membran (PEM) lı yakıt hücreleri (LT-PEMFC’ler), düşük gürültü, yüksek güç yoğunluğu ve tek bir hidrojen şarjıyla uzun sürüş mesafe sunmalarıyla ulaşımda ilgi çekici güç kaynaklarıdır. Ancak LT-PEMFC’ler yüksek saflıkta H2 gerektirmesi ve karmaşık ısı yöntemlerinden dolayı maliyetlidir ve çok sık tercih edilmezler. PEM yakıt hücrelerinde hidrojen anota, oksijen veya hava ise katota beslenmektedir.
Mevcut polibenzimidazol (PBI) bazlı PEM yakıt hücreleri, 160 °C’nin üzerindeki proton taşınması kararsızdır ve geliştirilmesi gerekir. Yapılan bir çalışma sonucunda, yüksek sıcaklıklarda çalışabilen ve yakıt hücresindeki suyun yönetimini kolaylaştıran bir polimer elektrolit membran yakıt hücresi tanıtıldı. Araştırmacılar, para-polibenzimidazol (p-PBI) ve cerium hidrojen fosfat (CeHP) içeren PEM’in 250 °C’ye kadar dayanıklı olduğunu keşfetti. Üretim sırasında, echinoid (deniz kestanesi) şeklindeki CeHP parçacıkları, PBI matrisinde iyice dağılarak birbirine bağlanıp bir ağ oluştururlar (SAN-CeHP-PBI). Bu yapı, diğer p-PBI ve geleneksel CeHP-PBI PEM’lerden 200 °C’nin üstünde daha iyi proton iletimi sağlar. Yapılan araştırmalarda, SAN-CeHP-PBI bazlı bir yakıt hücresinin H2/O2 ortamında 250 °C’de 2,35 W.cm-2 lik güce ulaştığında ve termal çevrimler esnasında 500 saat (s) boyunca neredeyse hiç bozulmaya uğramadığı görüldü (Şekil 1).
Düşük sıcaklıklarda proton değişim membranlı yakıt pilleri (LT-PEMFC’ler) perflorosülfonik asit membranları kullanarak, bu pillerin ulaşım için ideal bir güç kaynağı olmasını sağlar. Yüksek güç yoğunluğu ve tek bir hidrojen şarjıyla uzun mesafeler yapılabilmesini sağlıyor. Ancak yüksek saflıkta hidrojen ve karmaşık ısı sistemleri gerekiyor. Bu yüzden 120-150 °C arasında sıcaklık azar azar artırılarak çalışmalar devam ettirilmektedir.
Yüksek sıcaklık proton değişim membranlı yakıt pilleri (HT-PEMFC’ler), yakıt hücresinin soğutulmasını kolaylaştırarak su kontrol ünitelerini basit hale getirir. Ancak, düşük sıcaklık LT-PEMFC’lerde kullanılan perflorosülfonik asit bazlı membran malzemeleri camsı polimerlerdir ve düşük sıcaklıktadır. Bulundukları sıcaklıklar önerilen sıcaklıkların çok altındadır. Bu membranların maliyetleri oldukça yüksek olduğu için LT-PEMFC’lerin geniş çapta kullanımı oldukça azdır.
Yüksek sıcaklık proton değişim membranlı (HT-PEM) yakıt hücreleri için en potansiyelli membran, fosforik asit (PA) -dopeli polibenzimidazol (PBI) membrandır. 160 °C üstündeki sıcaklıklarda PA’ların buharlaşması veya sızıntı yapması nedeniyle performansı düşük membranlardır. Fosforik asidin kondensasyon reaksiyonları ile oluşan fosforik anhidritler, çok yüksek sıcaklıklarda bile proton iletkenliği sağlar. Araştırmalarda, yüksek sıcaklıklarda proton iletimini sürekli hale getirmek amacıyla iyon çifti membran elektrot montajları (MEA’lar) ve kompozit membranlar geliştirilmektedir. Bu araştırmalar membranların sızıntı yapmasını önlemek ve proton iletimini verimli hale getirmek amacıyla yapılmaktadır. İstikrarlı bir yakıt hücresi için en büyük engel 200 °C’nin üzerinde proton iletimini stabilize etmektir.
Yeni bir araştırma, polibenzimidazol (PBI) polimer elektroliti ile bağlantılı nanofiberli seryum hidrojen fosfat (CeHP) kullanılarak geliştirilen proton değişim membranlarını tanıtıyor. Bu membranlar büyük alanlı membranların üretiminin kolaylaşmasını ve üretim maliyetinin azalmasını sağlıyor. Raman analizi, CeHP nanoparçacıklarının membranın içinde hidroliz sonrası kimyasal yapısının bozulmadığını gösteriyor. Ayrıca SAN-CeHP-PBI membranlarının çekme gücünün p-PBI ve CeHP-PBI membranlarına göre önemli ölçüde iyileştirildiği gözlemlenmiştir.
PEM yakıt hücresi’nin yüksek sıcaklıkta çalışabilmesi için yapılan çalışmalarda genellikle yakıt hücresinde gaz difüzyon tabakası (GDL), katalizör tabakası (CL) ve fosforik asit katkılı membran gibi bileşenlere odaklanılmıştır. Fakat bunların yanında performans artışı için çalışma ve ortam koşulları da büyük önem taşır. Örnek vermek gerekirse basınç artışı güç verimini artırırken malzemenin bozulmasına da yol açabilir. Ayrıca, stokiyometri, sıcaklık, oksijen ve su seviyeleri de yakıt hücresinin performansını etkileyen faktörlerdir.
Yapılan bir çalışmada stokiyometri ve sabit basınç altında farklı sıcaklıklarda (120-160 °C) hücrenin performansı araştırılmış. Bu çalışma sonucunda sıcaklık artışı ile hücre performansının arttığı gözlemlenmiştir. Sıcaklığın 160 °C’nin üzerine çıkarıldığı çalışmalarda ise malzemelerde bozulma ve proton aktarımının verimsizleşmesi gibi sorunlarla karşılaşılmıştır. Bu gibi durumları önlemek için su, hava ve yağ soğutma sistemleri kullanılmaktadır. Fakat özgül ısı değerlerinden kaynaklı yağlı soğutma sistemleri daha sık kullanılmakta ve diğer soğutma sistemlerine göre daha verimli sonuç vermektedir.
Kaynak