Ishqoriy anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayrasi - Alkaline anion exchange membrane fuel cell

An gidroksidi anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayrasi (AAEMFC), shuningdek, nomi bilan tanilgan anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayralari (AEMFC), gidroksidi membranali yonilg'i xujayralari (AMFC), gidroksidi almashinadigan membrana yonilg'i xujayralari (HEMFC), yoki qattiq gidroksidi yoqilg'i xujayralari (SAFC) ning bir turi gidroksidi yoqilg'i xujayrasi dan foydalanadi anion almashinadigan membrana anod va katod bo'linmalarini ajratish uchun.

Ishqoriy yonilg'i xujayralari (AFC) odatda ishqoriy anionlarni tashishga asoslangan gidroksidi OH−
, elektrodlar orasida. Suvli ishlatilgan asl AFClar kaliy gidroksidi (KOH) sifatida elektrolit. AAEMFCs o'rniga a ni ishlatadi polimer gidroksid anionlarini tashiydigan membrana.

Alkali anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayrasi

Mexanizm

AAEMFC tarkibida yoqilg'i, vodorod yoki metanol bilan ta'minlanadi anod va havo orqali kislorod va suv ta'minlanadi katod. Yoqilg'i anodda oksidlanadi va katodda kislorod kamayadi. Katodda kislorodni kamaytirish natijasida gidroksid ionlari (OH) hosil bo'ladi−) elektrolitlar orqali anod tomon migratsiya qiladi. Anodda gidroksid ionlari yonilg'i bilan reaksiyaga kirishib, suv va elektronlarni hosil qiladi. Elektronlar oqim hosil qiluvchi elektron orqali o'tadi.[1]

Vodorod yoqilg'i bo'lganda elektrokimyoviy reaktsiyalar

Anodda: H2 + 2OH− → 2H2O + 2e−

Katodda: O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−

Metanol yoqilg'i bo'lganda elektrokimyoviy reaktsiyalar

Anodda: CH3OH + 6OH− → CO2 + 5H2O + 6e-

Katodda: 3 / 2O2 + 3H2O + 6e− → 6OH−

An'anaviy gidroksidi yoqilg'i xujayrasi bilan taqqoslash

Tomonidan ishlatiladigan gidroksidi yonilg'i xujayrasi NASA 1960-yillarda Apollon va Space Shuttle dasturi elektrolit sifatida KOH ning suvli eritmasi yordamida elektr energiyasini qariyb 70% samaradorlikda ishlab chiqardi. Bunday vaziyatda CO2 oksidlovchi havo oqimi orqali kirib, metanol oksidlanishidan hosil bo'lgan mahsulot kabi hosil bo'ladi, agar metanol yoqilg'i bo'lsa, CO hosil qiluvchi KOH elektrolitlari bilan reaksiyaga kirishadi.32−/ HCO3−. Afsuski, natijada K2CO3 yoki KHCO3− elektrodlarda cho'kma hosil bo'ladi. Biroq, bu ta'sir elektroddan kationli qarama-qarshiliklarni olib tashlash bilan yumshatilgan va karbonat hosil bo'lishi bir nechta sanoat va akademik guruhlar tomonidan, xususan Varco tomonidan butunlay teskari ta'sirga ega ekanligi aniqlandi. Arzon CO2 tizimlari oksidlovchi manba sifatida havodan foydalangan holda ishlab chiqilgan.[2] Ishqoriy anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayrasida suvli KOH qattiq polimer elektrolitlar membranasi bilan almashtiriladi, bu gidroksid ionlarini o'tkazishi mumkin. Bu elektrolitlar oqishi va karbonat yog'ingarchilik muammolarini engib chiqishi mumkin, ammo ishqoriy muhitda yonilg'i xujayrasini ishlatish afzalliklaridan foydalanadi. AAEMFClarda CO2 H hosil qiluvchi suv bilan reaksiyaga kirishadi2CO3, bu HCO bilan ajralib chiqadi3− va CO32−. CO ning muvozanat konsentratsiyasi32−/ HCO3− 0,07% dan kam va kationlar bo'lmagan holda elektrodlarda yog'ingarchilik bo'lmaydi (K+, Na+).[3][4] Ammo kationlarning etishmasligi qiyin, chunki ko'pgina membranalar funktsional gidroksid yoki bikarbonat shakllari bilan boshlang'ich, kimyoviy jihatdan barqaror halogen shaklidan kelib chiqadi va yoqilg'i xujayralarining ishlashiga ta'sirchan ta'sir ko'rsatishi va faol saytlarga singib ketishi va Helmholtsning ta'sir qilishi mumkin. - qatlam effektlari.[5]

Taqqoslash uchun, qarshi gidroksidi yoqilg'i xujayrasi, gidroksidi anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayralari ham elektrodni qattiq moddalardan himoya qiladi karbonat ishga tushirish paytida yoqilg'i (kislorod / vodorod) tashish muammosiga olib kelishi mumkin bo'lgan yog'ingarchilik.[6]

Ishlab chiqilgan membranalar / ionomerlarning katta qismi to'liq uglevodoroddir, bu katalizatorni qayta ishlashni osonlashtirish va yoqilg'i krossoverini pasaytirish imkonini beradi. Metanol saqlash va tashishni osonlashtiradigan afzalliklarga ega va vodorodga nisbatan yuqori hajmli energiya zichligiga ega. Shuningdek, anoddan katodgacha bo'lgan metanol krossoveri katemdan anodgacha bo'lgan membranadagi ion transportining qarama-qarshi yo'nalishi tufayli AEMEMFClarda PEMFClarga nisbatan kamayadi. Bundan tashqari, AAEMFClarda etanol va propanol kabi yuqori spirtli ichimliklardan foydalanish mumkin, chunki AAEMFC lardagi anod potentsiali oksidlanish uchun etarli C-C obligatsiyalari spirtli ichimliklarda mavjud.[7][8]

Qiyinchiliklar

AAEMFC ishlab chiqarishda eng katta muammo bu anion almashinish membranasi (AEM). Oddiy AEM erkin OH harakatini engillashtirish uchun bog'langan kationli ion almashinuvchi guruhlari bo'lgan polimer omurgadan iborat.− ionlari. Bu teskari Nafion anion polimerga kovalent ravishda bog'langan va bir joydan ikkinchisiga protonlar sakrab o'tadigan PEMFClar uchun ishlatiladi. Qiyinchilik AEMni yuqori OH bilan ishlab chiqarishdir− yuqori pH va haroratda kimyoviy buzilmasdan ion o'tkazuvchanligi va mexanik barqarorlik. Degradatsiyaning asosiy mexanizmlari quyidagilardan iborat Hofmannni yo'q qilish b-gidrogenlar mavjud bo'lganda va OH tomonidan to'g'ridan-to'g'ri nukleofil hujumi− kationli joyda joylashgan ion. Hofmanni yo'q qilishga qarshi kimyoviy barqarorlikni yaxshilashga yondashuvlardan biri bu kationli maydonda barcha b-gidrogenlarni yo'q qilishdir. Ushbu degradatsiyaning barcha reaktsiyalari polimer magistral kimyoviy moddalarini va AEMni rivojlantirish uchun kiritilishi mumkin bo'lgan kationlarni cheklaydi.

Yana bir muammo - bu OHga erishish− H bilan taqqoslanadigan ion o'tkazuvchanligi+ PEMFClarda kuzatilgan o'tkazuvchanlik. OH ning diffuziya koeffitsientidan beri− ionlari H ning yarmiga teng+ (quyma suvda), OH yuqori konsentratsiyasi− Shu kabi natijalarga erishish uchun ionlar kerak, bu esa o'z navbatida polimerning yuqori ion almashinish qobiliyatiga muhtoj.[9] Shu bilan birga, yuqori ion almashinish qobiliyati polimerning hidratsiyasida haddan tashqari shishishiga va mexanik xususiyatlarning bir vaqtning o'zida yo'qolishiga olib keladi.

AEMFCsdagi suvni boshqarish ham qiyin bo'lganligi ko'rsatilgan. So'nggi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki [10] ozuqa gazlari namligini ehtiyotkorlik bilan muvozanatlash yonilg'i xujayralarining ishlashini sezilarli darajada yaxshilaydi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Qish, M; Brodd, R. J. (2004). "Batareyalar, yonilg'i xujayralari va superkondensatorlar nima?". Kimyoviy sharhlar. 104 (10): 4245–4269. doi:10.1021 / cr020730k. PMID  15669155.
  2. ^ "US8628889 B2 - Anion almashinadigan membrana tipidagi yonilg'i xujayrasining ishlash usuli".
  3. ^ Adams, L. A .; Varcoe, J. R. (2008). ChemSusChem (PDF). 1 (1–2): 79–81. doi:10.1002 / cssc.200700013. PMID  18605667 http://epubs.surrey.ac.uk/1686/1/fulltext.pdf | url = yo'qolgan sarlavha (Yordam bering).CS1 maint: nomlanmagan davriy nashr (havola)
  4. ^ Shen, P. K .; Xu, C. (2005). Adv. Yoqilg'i xujayralari: 149–179.CS1 maint: nomlanmagan davriy nashr (havola)
  5. ^ Mills, J. N .; Makkrum, I. T .; Janik, J. J. (2014). Fizika. Kimyoviy. Kimyoviy. Fizika. 16 (27): 13699–13707. Bibcode:2014PCCP ... 1613699M. doi:10.1039 / c4cp00760c. PMID  24722828.CS1 maint: nomlanmagan davriy nashr (havola)
  6. ^ Anion almashinuvi membranasi va gidroksidi membranali yonilg'i xujayralari uchun ionometr Arxivlandi 2008 yil 7-dekabr, soat Orqaga qaytish mashinasi
  7. ^ Varko, J. R .; Slade, R.C. T. (2005). "Past haroratli yonilg'i xujayralarida ishqoriy anion almashinadigan membranalar istiqbollari" (PDF). Yoqilg'i xujayralari. 5 (2): 187–200. doi:10.1002 / fuce.200400045.
  8. ^ Shen, P. K .; Xu, C. (2005). Adv. Yoqilg'i xujayralari: 149–179.CS1 maint: nomlanmagan davriy nashr (havola)
  9. ^ Agel, E; Bouet, J .; Fovorque, JF (2001). "Ishqoriy yonilg'i xujayralari uchun anion membranalarni tavsiflash va ulardan foydalanish". Quvvat manbalari jurnali. 101 (2): 267–274. Bibcode:2001 yil JPS ... 101..267A. doi:10.1016 / s0378-7753 (01) 00759-5.
  10. ^ Omasta, T.J .; Vang, L .; Peng X.; Lyuis, Kaliforniya; Varko, JR .; Musteyn, VE (2017). "Anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayralarida membrana va elektrod suvlarini muvozanatlashtirishning ahamiyati" (PDF). Quvvat manbalari jurnali. 375: 205–213. doi:10.1016 / j.jpowsour.2017.05.006.