Yakıt hücresi, kısaca açıklamak gerekirse, bir elektrokimyasal dönüşüm aygıtıdır denilebilir. Bu elektrokimyasal dönüşüm esnasında hidrojen ve oksijen suya dönüştürülürken elektrik ve ısı da ortaya çıkar. Bir yakıt hücresinin temel yapısı bir elektrolit katmanı ve bunun her iki yanında bulunan gözenekli ve geçirgen yapıdaki anod ve katodtan ibarettir.

Tipik bir yakıt hücresinde gaz halindeki yakıtlar devamlı olarak anoda (negatif elektrod) gönderilir ve bir oksitleyici de(havadaki oksijen gibi) katod bölmesine (pozitif elektrod) beslenir; elektrotlarda meydana gelen elektrokimyasal etkileşim sonucunda da elektrik akımı elde edilir. Yakıt ve oksitleyici ile beslendiği sürece bir yakıt hücresi elektrik üremeyi sürdürebilir. Fakat korozyon ve bileşenlerin arıza yapması yakıt hücrelerinin çalışma ömrünü sınırlandıran unsurlardır.

Çeşitli yakıt hücresi tipleri geliştirlimiştir ve geliştirilmektedir ve kullanılan yakıt-oksitleyici türlerine göre, yakıtın sistemin içinde veya dışında işlenmesine göre, elektrolitin tipine göre, işletme sıcaklığına göre vs sınıflandırılabilirler. Yakıt hücreleri genellikle kullanılan elektrolitlerin türüne göre sınıflandırılır ve yaklaşık çalışma sıcaklıklarına göre dizilmiş olarak başlıcaları ;

1. Polimer elektrolit yakıt hücresi (PEFC - polymer electrolyte fuel cell) / 80^oC
2. Alkalin yakıt hücresi (AFC - alkaline fuel cell) / 100^oC - 200^oC
3. Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC - phosphoric acid fuel cell) / 200^oC
4. Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC - molten carbonate fuel cell ) / 650^oC
5. Katı oksit yakıt hücreleri (SOFC - solid oxide fuel cell) / 800^oC-1000^oC

Düşük sıcaklıkta çalışan yakıt hücrelerinde (PEFC, AFC, PAFC) protonlar ve hidroksil iyonları elektrolit içindeki temel elektrik yükü taşıyıcılarıdır. Yüksek sıcaklıkta çalışan yakıt hücrelerinde ise (MCFC, ITSOFC, TSOFC) sırasıyla hem karbonat iyonları hem de oksijen iyonları elektrik yükü taşıyıcılarıdır.

Denizaltılar için tercih edilen yakıt hücresi sistemleri "polimer elektrolit yakıt hücresi - PEFC" türüne dahil olan "proton değişim zarı" (PEM - proton exchange mebrane) sınıfına girerler. Yazının bundan sonraki bölümünde "proton değişim zarı" PDZ olarak yazılacaktır. Konunun genişliği ve yazının denizaltı teknolojisini kapsaması sebebiyle yukarıda bahsedilen diğer yakıt hücresi türlerine burada değinilmeyecektir. Merak edenler kaynaklar bölümündeki yayınlardan veya netten bu konularda ayrıntılı bilgi bulabilirler.

Polimer elektrolit yakıt hücresinde "elektrolit" bir iyon değişim zarıdır. Bu zar florinli sulfonik asit polimeri veya benzer bir polimerden imal edilir ki bu maddeler mükemmel proton iletkenleridir. Bu yakıt hücresinde tek sıvı sudur bu nedenle korozyon sorunları en azdır. Zardaki suyun kontrolü yakıt hücresinin verimi açısından çok önemlidir; bir yan ürün olan su üretiminin buharlaşmasından daha hızlı olması zarın devamlı olarak ıslak kalabilmesini sağlamak açısından önemlidir.

Tüm PDZ yakıt hücreleri aynı temel şekilde çalışırlar; metanol veya metal hidritten alınan hidrojen, platin temelli bir katalizör vasıtasıyla elektron ve protonlarına ayrılacağı yakıt hücresine gönderilir. Protonlar, proton değişim zarından geçerken elektronlar denizaltı için gerekli olan elektriği üretmekte kullanılır. Zarın diğer tarafında ise elektronlar elektrik devresinden ayrılır ve protonlarla ve ilave olarak oksijenle birleşerek reaksiyonun tek yan ürünü olarak saf su haline gelir. Bu çevrim tek bir yakıt hücresinde sadece 0.7 volt civarında elektrik üretebilir. Bu nedenle yeterli elektriği üretebilmek için yakıt hücreleri yığınlar halinde birleştirilerek kullanılırlar.

Bir PDZ yakıt hücresinin temel çalışma akışı aşağıdaki çizimde gösterilmiştir (açıklama; eğer hidrojen bir metal hidritten çekilirse çevrim sonucunda sadece fakirleşmiş yakıt/oksitleyici ve su elde edilir, eğer hidrojen metanolden çekilirse ilave olarak bazı gazlar da yan ürün olarak hasıl olur)

PDZ türü yakıt hücreleri tüm türleri içinde en basit reaksiyonu kullanandır. Bu tür bir yakıt hücresinde;

• Anod, yakıt hücresinin negatif tarafıdır ve birkaç işlevi vardır. Hidrojen moleküllerinden ayrıştırılan elektronları harici çevrimde kullanmak üzere iletir. Üzerinde hidrojen gazının katalizör yüzeyi üzerinde eşit olarak dağılmasını sağlamak üzere kanalar bulunur.
• Katod, yakıt hücresinin pozitif tarafıdır, üzerinde oksijen gazının katalizör yüzeyi üzerinde eşit olarak dağılmasını sağlamak üzere kanalar bulunur. Ayrıca elektronları harici çevrimden hidrojen iyonları ve oksijen ile su oluşturmak üzere birleşecekleri katalizöre geri iletir,
• Elektrolit, proton değişim zarıdır. Plastik masa örtüsü görünümündeki bu özel olarak işlenmiş malzeme sadece pozitif yüklü iyonları geçirir elektronları ise engeller.
• Katalizör, oksijen ile hidrojenin reaksiyonunu kolaylaştıran özel bir malzemedir. genellikle çok ince bir katman olarak platin tozu ile kaplanmış karbon kağıdı veya kumaşı ile imal edilir. Katalizör hidrojen ve oksijene platinle olabildiğince yüksek bir temas yüzeyi sağlayabilmek için yani yüzey alanını arttırabilmek için son derece pürtüklü ve girintili çıkıntılı bir şekilde imal edilir. Katalizörün platin kaplı tarafı proton değişim zarına bakar.

Yakıt hücresinin kullanıldığı ilk denizaltı olan Alman Tip212'nin PDZ türü yakıt hücresi sistemi Siemens ve Hdw tarafından geliştirilmiştir (aşağıdaki resim, kaynak: Siemens) Tip212'lerde bir büyük tank için sıvı oksijen taşınırken güçlendirilmiş birkaç küçük tankta da metal hidrit yakıtı, mukavim teknenin dışında taşınır. 300kw'lık yakıt hücresi sistemi Tip212'ye yaklaşık 14 gün boyunca sualtında seyir imkanı verir. Bu güç kaynağı tamamen sessiz çalışır ve tek atığı olan saf su da mürettebat tarafından kullanılır.

Rusya'da ise Rubin tasarım bürosu tarafından Kristall-27e yakıt hücresi, Amur sınıfı yeni denizaltılar için geliştirilmiştir ve Alman sistemine benzer şekilde çalıştığı düşünülmektedir. İlk sistem Hindistan'a satılmıştır. Aşağıdaki resim bu sistemin mevcut denizaltılara eklenmesi için hazırlanan hdt modülüne ait bir çizimi gösteriyor (kaynak: Rubin tasarım bürosu)

Kanada tarafında geliştirilen benzer bir sistem diğer ikisinden tek önemli farkı hidrojenin metal hidrit olarak değil metanol (CH3OH) olarak tek bir tankta depolanmasıdır. Şimdilik bu tür bir yakıt hücresi denizaltılarda kullanılmamıştır. Metanol metal hidrite göre daha ucuz bir hidrojen kaynağıdır ve aynı hacimdeki metal hidrite göre yaklaşık %40 daha fazla hidrojen atomu bağlayabilir. bununla birlikte metanolden hidrojeni ayırmak için dönüştürücü denen ilave bir aygıta ihtiyaç vardır ki bu da sistemin toplam verimini bir miktar düşürür. Ayrıca metanol kullanımı CO2 ortaya çıkmasına da neden olur ve bu gazın deniz suyu içinde çözündürülmesi gerekir. Bu işlem içinse bir yüksek basınç pompasına ihtiyaç olur. Pompa hem gürültü üretir hem de enerji tükettiğinden sistemin genel verimini bir miktar daha düşürür. Ayrıca suya CO2 vermek denizaltının gizliliğini de tehlikeye düşürür, kızılötesi ve kimyasal olarak tesbit edilmesine sebep olabilir.

Kaynaklar:

1. Fuel Cells with CFD-ACE+
2. Developing a Thermodynamic Fuel Cell
3. Positioning the reference electrode in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) under primary and secondary current distribution.
4. Fuel Cell Handbook (Fifth Edition)
5. PEM Fuel Cells for Submarines - Seimens
6. Internet