Hidrojen bakımından zengin yakıtlardan elektrokimyasal olarak elektrik üreten cihazlara yakıt pili denmektedir. İlk kez Christian Friedrich Schönbein tarafından keşfedilmiştir ve ilk testleri 1939 yılında Silliam Grove tarafından yapılmıştır. O günden günümüze tasarım ve malzeme açısından kayda değer gelişmeler elde edilmiştir ve yakıt pileri bir çok bilim insanı tarafından geleceğin enerji üretim teknolojisi olarak görülmektedir. Endüstrinin gelişmesi ile daha çok endişeye sebep olan çevre kirliliği, yakıt pillerine olan gerekliliği artırmaktadır. Fakat kullanım ömrü, maliyet ve güvenilirlik yakıt pillerinin ticari bir boyut kazanması için üzerinde çalışılması gereken konulardır.
Yakıt pilleri birçok özelliği yönünden bataryalara benzerliği bulunmaktadır fakat bataryalarda olduğu gibi depoladıkları enerji ile sınırlı değildirler. Dışarıdan oksitleyici ve yakıtla beslendiği sürece enerji üretmeye devam etmektedirler. Dışarıdan yakıt besleme nedeniyle kömür, gaz veya yağ ile çalışan jeneratörlerle karşılaştırılabilirler. Geleneksel jeneratörler yakıtı yakmaktadır ve bu sebeple verimleri termodinamiğin ikinci kanununa göre Carnot çevrimiyle kısıtlanmaktadır. Yakıt pillerdeki fark ise elektrokimyasal bir dönüşüm söz konusudur ve verimleri bu kapsamla Carnot çevrimiyle sınırlı değildir. Bu nedenle geleneksel jeneratörlerin elektrik dönüşüm verimleri %40’ın altında olmasına rağmen, yakıt pillerinin elektrik dönüşüm verimleri %50-60 seviyelerindedir.
Yakıt pilleri modüler sistemlerdir ve gerekli olan güç ihtiyacını karşılamak için farklı sayıda hücreler stak olarak adlandırılan paralel/seri bağlı hücre grupları haline getirilmektedir. Daha yüksek güç seviyelerine ulaşmak için hücrelerin boyutları da büyütülebilir fakat ısıtma oranı ve akım toplama yolu uzamasından dolayı bu durum verimliliği azaltmaktadır. Bu adaptasyonla beraber, temiz ve sessiz çalışıyor olmaları, yakıt pillerinin çok geniş kullanım alanına sahip etkin cihazlar olduğunu göstermektedir.
Yüksek sıcaklık yakıt pili türlerinden olan katı oksit yakıt pilinin oksijen ve hidrojen altındaki çalışma prensibi ve diğer yakıt pilleriyle ortak olan ana bileşenleri örnek olarak aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Yakıt pilinin türüne bağlı olarak ortaya çıkan farklı protonlar/iyonlar elektrolit içerisinden geçmektedir. Katalizörler, akım bağlantıları, sızdırmazlık ve malzemeler günümüzde hala üzerinde çalışılan ve geliştirilen bileşenlerdir.
Yakıt pillerinde kullanılan yakıtın saf hidrojen olması durumunda çevreye yalnızca su salınmaktadır. Bu da çevresel faktörler ele alındığında en önemli değişken olarak göze çarpmaktadır. Fakat öncelikle hidrojenin üretilmesi gerekmektedir. Bu üretim çoğunlukla fosil yakıtların su ile reformlanmasıyla elde edilmektedir ve geleneksel yöntemlere göre bu tekniğin en verimli yöntem olduğu bilinen bir gerçektir.
Elektrokimyasal reaksiyonlar elektrotların içinde meydana gelmektedir. Yukarıda yer alan Şekil 1’deki iyonların akış yönüne göre genelleştirilmiş reaksiyonlar şu şekildedir:
Anot: Yakıt + İyonlar → Ürün + Elektronlar (Örnek: H2 + 0-2 → H2O + 2e–)
Katot: Oksitleyici + Elektronlar → İyonlar (Örnek: O2 + 4e– →2O -2)
İyon taşınımının ters yönde olması durumunda genelleştirilmiş reaksiyonlar ise:
Anot: Yakıt → Elektronlar (Örnek: H2 + O-2 →H2O + 2e–)
Katot: Oksitleyici + Elektronlar + İyonlar →Ürün (Örnek:½O2+2e– +2H+ → H2O)
Her durumda toplam reaksiyon aynı olmaktadır:
Yakıt + Oksitleyici → Ürün (Örnek: H2 + ½O2 → H2O)
Bu reaksiyonlar sırasında üretilen elektronların dış bir devre yardımı ile elektrotlara aktarılması sayesinde elektrik üretimi gerçekleşmektedir.
Yorumlar