Yakıt Pilinin Bileşenleri

Bir hücrenin temel bileşenleri şekilde görüldüğü gibidir.

1. Membran

Proton ileten polimer membran, PEM tipi yakıt pillerinde elektrolit olarak Kullanılır. Membran kalınlığı 12-210 µm arasında değişir. Ticari olarak kullanılan elektrolit, Dupont firmasının ürettiği Florinli Teflon(Perflorosulfonik asit-PFSA) malzemesidir. Dayanıklı ve yüksek protonik iletkenliğe sahiptir (0.2 S/cm)

CF2=CFOCF2CFOCF2CF2SO3H

CF3

Bu malzemenin ticari adı Nafion’ dur ve en sık kullanılan tipi 117 Numaradır. Benzer malzemeler başka firmalar tarafından da üretilmektedir (Gore and Associate, Asahi Glass..)

Memranalarda, proton iletkenliğinin iyi olması için yüksek nemde olmalıdır. Bu da PEM tipi yakıt pillerinin çalışma sıcaklığının suyun buharlaşma sıcaklığının altında çalışmasını gerektirir. Nafion membranlar değişik kalınlıklarda gelir ve istenilen boyutta kesilir. Kalınlıkları 25.4 -254 µm arasında olabilir. Temizlik ve yırtılmaya karşı dikkatli tutulmalıdır. Membranlar düşük hücre direncine sahiptir ( 1 A/cm2 de 50 mV). Membranların, maliyeti, destek yapılarına ihtiyacı ve çalışma sıcaklıklarının sınırlı olması gibi dezavantajları vardır. Genellikle yakıt pillerinde sıcaklık arttıkça verim artar. Fakat PEM tipi yakıt pillerinde membranların kuruması, iyonik iletimin azalması, membranın mekanik özelliklerinin kötüleşmesi(yumuşaması) ve artan yakıt sızıntılarından dolayı artan parazitik kayıpların oluşmasıyla verim azalır. Bu duruma çözüm olarak hidrokarkonlu membranlar PFSA daki dezavantajları kısmen azaltmaktadır.

Nafion’ un kimyasal yapısı

2. Elektrod Tabakası

Elektrot tabakaları, katalizör, poroz elektrot ve gaz difüzyon tabakasından meydana gelir. Yakıt pili tipi ne olursa olsun, katalizör, molekülleri elektron ve protonlara ayırmak için çok efektif olmalıdır. Yüksek yüzey alanına ve düşük maliyete sahip olmalıdır. Poroz elektrot tabakası:•Yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olmalı•Kimyasal ve fiziksel olarak stabil olmalı•Üretimi ve bulunabilirliği kolay olmalı•Tercihen ucuz olmalı•Yeterli poroziteye sahip olmalı•Isıl, kimyasal ve fiziksel olarak yakıt pillerindeki diğer parçalarla uyumlu olmalı

2. 1. Katalizör

Yakıt pillerinin elektrotları ince bir katalizör tabakasıdır. Elektrodlar, genellikle karbon destekli platinyum ve ionomer karışımından oluşan bir poruz yapıdıdan oluşur. Reaksiyonları katalize etmek için, katalizör parçacıkları hem protonik hemde elektronik iletkenlerle temas etmelidir. İstenilen reaksiyon oranlarının elde edilmesi için aktif katalizör alanının, elektrotların geometrik alanından birkaç kat daha büyük olması gerekir. Bu yüzden elektrotlar poruz yapılır.

PEM yakıt pili üreticileri, elektrotları direkt olarak mebranla birlikte üretirler. Böylece daha düşük maliyet, daha iyi katalizör dağılımı ve gelişmiş kütle iletimi elde edilir. Elektrotların kalınlığı 5-15 mikron arasındadır. Katalizör ise, 0.1-0.5 mg/cm2 arasındadır. Katalizörlerin ağırlığından ziyade yüzey alanı daha önemlidir. Karbon destek fiberleri üzerine iyi yerleşmesi için geniş yüzey alanına sahip (küresel) küçük platin parçacıkları (4 nanometre veya daha küçük) kullanılmalıdır.

2.2 Gaz difüzyon tabakası

Bu tabaka katalizör tabakası ile bipolar plaka arasında yer alır. GDL, bipolar tabaka ile elektrot arasında elektriksel temas sağlar ve reaktantları etkin bir şekilde elektrodlara dağıtır. Ayrıca reaksiyon ürünü olan suyun, elektrot yüzeyinden çıkmasını sağlar. GDL, poruz yapılır (Karbon kumaş veya kağıt)ve elektriksel olarak iletkendir. Kalınlığı 0.0017-0.04 cm ve yoğunluğu 0.21-0.73 g/cm2 ve porozitesi % 70-80 arasındadır.

Karbon kumaş karbon kağıt

10% Wt. Platinum on Carbon Black 5 grams