Hidrojenle
Otomotive Güç Vermek

Girişimin Amacı

Her geçen gün artan çevre kirliliği ve fosil yakıtların yakın zamanda tükenme ihtimalinin yüksek olması alternatif enerjili araçlara yönelimi artırmaktadır. Günümüzde, alternatif enerjili araçlardan biri olan hidrojen yakıt hücreli araçlar verimli ve çevreye uyumlu teknolojileriyle öne çıkmaktadır. Bu girişimde hidrojen yakıt hücreli araçlar için verimli ve yerli kompozit membran üretilmesi amaçlanmaktadır.

Problem

Daha az kirlilik ve daha az gürültü, elektrikli araçlardan beklenen önemli özelliklerden biridir. Elektromobilite denince, şarj edilen büyük bataryalı araçlar ön plana çıkmaktadır. Ancak bataryalı araçların şarj sürelerinin uzun olması başka bir itiş gücü teknolojisine yönelimi artırmaktadır. Söz konusu bu teknoloji, yakıt hücreli elektrikli araçlar veya FCEV (Yakıt Hücreli Elektrikli Araç) olarak da bilinen hidrojen motorudur. Hidrojen yakıt hücreli araçlar elektrikli motorla çalıştığı için elektrikli araç olarak sınıflandırılır. Hidrojen yakıt hücreli araçların kendi elektriğini üretmesinden dolayı bu araçlara elektrikli araç denilmektedir. Hidrojenli araçlar kendi elektriğini yakıt hücreleri sayesinde üretirler. Yakıt hücresi hidrojen ile oksijen gazının ters elektroliz reaksiyonu ile elektrik enerjisi üretir. Hidrojen gazı araç içerisine yerleştirilmiş bir tanktan gelirken, oksijen gazı ortamdaki havadan gelir. Gerçekleşen reaksiyon sonucunda araç egzozundan su buharı atılır. Günümüzde üç markanın hidrojen yakıt hücreli araç modeli satılmaktadır.

Bunlar; Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo. Markaların ar-ge çalışmalarında hidrojen yakıt hücrelerine odaklandığı ön plana çıkmaktadır. Yakıt hücreleri ile ilgili yapılan çalışmaların başında polimerik membranların geliştirilmesi ile ilgili çalışmalar yer almaktadır. Hidrojen yakıt hücreleri, verimli ve çevreye uyumlu bir enerji üretim teknolojisi olarak öne çıkmaktadır. Proton değişim membran yakıt hücreleri (Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi-PEMFC) düşük çalışma sıcaklığında yüksek verim elde edilmesi, sessiz çalışması, saf su ve ısı dışında herhangi bir atık ortaya çıkarmamasından dolayı hidrojen yakıt hücreli araçlarda en çok ilgi çeken yakıt hücresi türüdür. Membran, PEMFC’nin kalbi olarak kabul edilmektedir.

Yakıt hücresinin verimli çalışması için membranların bazı özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bu özellikler; yüksek sıcaklık dayanımı, termal kararlılığının iyi olması, yüksek proton iletkenliği, ucuz olması, inert olması, mekanik dayanımının yüksek olmasıdır. Polimer elektrolit membran olarak günümüzde en yaygın kullanılan membranlar perfluoro sülfonik asit Nafion membranlardır. Ancak bu membranların yüksek sıcaklıkta proton iletkenliği düşüktür ve çok pahalıdır.

Çözüm

Bu girişimde Nafion içerikli membrana göre daha iyi fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip, hem organik hem de inorganik yapıyı bir arada bulunduran kompozit membran sentezi amaçlanmıştır. Rezervlerinin %73’ü ülkemizde olan bor ve rezervlerinin %65’i ülkemizde olan perlit ekonomik olduğundan tercih edilmiştir. Piyasadaki membranlardan 6 kat verimli kompozit yakıt hücresi membranı üretilmiştir.

Yenilikçi Yönler

Hidrojen yakıt hücreli araçlara talebin istenen seviyede olmamasının bir nedeni yakıt hücrelerinin pahalı olmasıdır. Piyasada bulunan az sayıda yakıt hücreli araç modelinin maliyeti, tamamen elektrikli veya hibrit bir aracın yaklaşık iki katına denk gelmektedir. Hidrojen yakıt hücrelerinin pahalı olmasının çeşitli nedenleri vardır. Bunlardan bazılarını özetlemek gerekirse;

• Membran üretiminde kullanılan hammaddelerin pahalı olması
• Güç üretimi sırasında katalizör görevi gören değerli bir metal olan platinin maliyetinin yüksek olması

Bu çalışmada sentezlenen kompozit membranda katkı maddesi olarak rezervlerinin %73’ü ülkemizde olan borun, türevi borik asit ve rezervlerinin %65’i ülkemizde olan perlit kullanılmıştır. Böylelikle membran sentezinin parasal boyutu göz önünde bulundurulursa; membran için seçilen ve yapıyı oluşturan maddeler ucuz ve kolay sağlanabilir olmaktadır. Ayrıca sentezlenen membran yüksek sıcaklıklarda özelliklerini yitirmediğinden pahalı platin katalizörler yerine daha ucuz katalizörler kullanılmasına da imkan tanımaktadır.

Şu anda DuPont tarafından üretilen Nafion adlı perflorosülfonik asit kopolimer kullanmak polimer elektrolit membran yakıt hücreleri için en popüler metottur. Nafion’un yakıt hücreleri uygulamalarında iyi kimyasal ve fiziksel özellikleri olmasına rağmen onu sınırlayan üç teknik sınırlama vardır.

• Yüksek maliyete sahip olması
• Düşük nem ya da yüksek sıcaklıkta iletkenliğinin düşük olması
• Hücre verimini azaltan yüksek metanol geçirgenliği

Bu sebeplerden dolayı Nafion yerine farklı polimerlerden oluşan membran sentezleri önem kazanmıştır. PEMYH uygulamalarında Nafion gibi perflurosülfonik asit bazlı membranlarda yoğunlaşılmıştır. Ancak Nafion membranların kullanım sıcaklıklarının sınırlı olması, düşük nem oranlarında proton iletkenliğinin büyük ölçüde azalması ve bu sonuçların yakıt hücresi performansını olumsuz yönde etkilemesi göz önünde bulundurulduğunda alternatif membran sentezine gidilmiştir. Bu çalışmada Nafion içerikli membranlara göre daha iyi fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olan, hem organik hem de inorganik yapıyı bir arada bulunduran kompozit membran sentezi öngörülmüştür.