Alkali yakıt hücresi - Alkaline fuel cell

Alkali Yakıt Pili Şeması:
1. Hidrojen
2. Elektron akışı
3. Yük
4. Oksijen
5. Katot
6. Elektrolit
7. Anot
8. Su
9. Hidroksit İyonları

Alkalin yakıt hücresi olarak da bilinir (AFC), Bacon onun İngiliz buluş, sonra yakıt hücresi Francis Thomas Bacon , en gelişmiş biri yakıt hücresi teknolojileri. Alkali yakıt hücreleri, içme suyu, ısı ve elektrik üretmek için hidrojen ve saf oksijen tüketir. % 70'e ulaşma potansiyeline sahip en verimli yakıt hücreleri arasındadır.

NASA , Apollo serisinin görevlerinde ve Uzay Mekiği'nde 1960'ların ortalarından beri alkali yakıt pilleri kullandı .

Kimya

Yakıt hücresi, hidrojen ve oksijen arasındaki bir redoks reaksiyonu yoluyla güç üretir . En anot , hidrojen reaksiyonuna göre oksitlenir:

${\ displaystyle \ mathrm {H} _ {2} + \ mathrm {2OH} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {2H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {2e} ^ {-}}$

su üretmek ve elektronları serbest bırakmak. Elektronlar harici bir devreden akar ve katoda geri dönerek reaksiyondaki oksijeni azaltır:

${\ displaystyle \ mathrm {O} _ {2} + \ mathrm {2H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {4e} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {4OH} ^ {-}}$

hidroksit iyonları üretmek . Net reaksiyon, iki su molekülünün üretiminde bir oksijen molekülü ve iki hidrojen molekülü tüketir. Bu reaksiyonun yan ürünleri olarak elektrik ve ısı oluşur.

Elektrolit

İki elektrot, potasyum hidroksit (KOH) gibi sulu bir alkali çözelti ile doyurulmuş gözenekli bir matris ile ayrılır . Sulu alkali çözeltiler karbondioksiti (CO ₂ ) reddetmez, bu nedenle yakıt hücresi KOH'nin potasyum karbonata (K ₂ CO ₃ ) dönüştürülmesi yoluyla "zehirlenebilir" . Bu nedenle, alkalin yakıt hücreleri tipik olarak saf oksijen veya en azından saflaştırılmış hava ile çalışır ve mümkün olduğunca fazla karbondioksiti temizlemek için tasarıma bir "temizleyici" dahil eder. Oksijenin üretimi ve depolanması gereksinimleri saf oksijen AFC'leri pahalı hale getirdiğinden, teknolojiyi aktif olarak geliştiren çok az şirket vardır. Bununla birlikte, araştırma topluluğunda zehirlenmenin kalıcı mı yoksa geri döndürülebilir mi olduğu konusunda bazı tartışmalar var. Zehirlenmenin ana mekanizmaları, katottaki gözeneklerin tersinir olmayan K ₂ CO ₃ ile bloke edilmesi ve elektrolitin iyonik iletkenliğinin azalmasıdır ki bu KOH orijinal konsantrasyonuna geri döndürülerek tersine çevrilebilir. Alternatif bir yöntem, hücreyi orijinal çıktısına geri döndüren KOH'yi değiştirmeyi içerir.
Karbondioksit elektrolit ile reaksiyona girdiğinde karbonatlar oluşur. Karbonatlar, elektrotların gözeneklerinde çökelebilir ve sonunda onları tıkayabilir. Daha yüksek sıcaklıkta çalışan AFC'lerin performansta bir düşüş göstermediği, oda sıcaklığında ise performansta önemli bir düşüş olduğu görülmüştür. Ortam sıcaklığındaki karbonat zehirlenmesinin, K ₂ CO _3'ün oda sıcaklığında düşük çözünürlüğünün bir sonucu olduğu düşünülmektedir , bu da elektrot gözeneklerini tıkayan K ₂ CO ₃ çökelmesine yol açar . Ayrıca, bu çökelticiler, elektrot destek katmanının hidrofobikliğini kademeli olarak azaltarak yapısal bozulmaya ve elektrot taşmasına neden olur.

${\ displaystyle \ mathrm {CO} _ {2} + \ mathrm {2KOH} \ longrightarrow \ mathrm {K} _ {2} \ mathrm {CO} _ {3} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {Ö} }$
Öte yandan, elektrolit içindeki yük taşıyan hidroksit iyonları, karbonat türlerini oluşturmak için organik yakıt oksidasyonundan (yani metanol, formik asit) veya havadan gelen karbondioksit ile reaksiyona girebilir.

${\ displaystyle \ mathrm {2OH} ^ {-} + \ mathrm {CO} _ {2} \ longrightarrow \ mathrm {CO} _ {3} ^ {2 -} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {Ö} }$
Karbonat oluşumu, elektrolitin hidroksit iyonlarını tüketerek elektrolit iletkenliğini ve dolayısıyla hücre performansını düşürür. Bu yığın etkilerinin yanı sıra, buhar basıncındaki bir değişiklik ve / veya elektrolit hacmindeki bir değişiklik nedeniyle su yönetimi üzerindeki etki de zararlı olabilir.

Temel tasarımlar

Bu zehirlenme etkisinden dolayı, AFC'lerin iki ana çeşidi vardır: statik elektrolit ve akan elektrolit. Apollo uzay aracında ve Uzay Mekiğinde kullanılan tipte statik veya hareketsizleştirilmiş elektrolit hücreler, tipik olarak potasyum hidroksitle doyurulmuş bir asbest ayırıcı kullanır. Su üretimi, diğer kullanımlar için geri kazanılabilecek saf su üreten yukarıda gösterildiği gibi anottan buharlaşma ile kontrol edilir. Bu yakıt hücreleri, maksimum hacimsel ve spesifik verimlilikler elde etmek için tipik olarak platin katalizörleri kullanır.

Akan elektrolit tasarımları, elektrolitin elektrotlar arasında (elektrotlara paralel) veya elektrotlar boyunca enine yönde (ASK tipi veya EloFlux yakıt hücresi) akmasına izin veren daha açık bir matris kullanır. Paralel akışlı elektrolit tasarımlarında, üretilen su elektrolit içinde tutulur ve eski elektrolit, bir arabadaki yağ değişimine benzer bir şekilde taze ile değiştirilebilir. Bu akışı sağlamak için elektrotlar arasında daha fazla alan gerekir ve bu, hareketsizleştirilmiş elektrolit tasarımlarına kıyasla güç çıkışını azaltarak hücre direncinde bir artışa dönüşür. Teknolojisi için bir başka zorluk, katodun sürekli tıkaması sorunu K ile ne kadar şiddetlidir ₂ CO ₃ ; Bazı yayınlanmış raporlar, havada binlerce saat çalışıldığını gösteriyor. Bu tasarımlarda hem platin hem de asil olmayan metal katalizörler kullanılmış, bu da artan verimlilik ve artan maliyet ile sonuçlanmıştır.

Enine elektrolit akışı ile EloFlux tasarımı, düşük maliyetli yapı ve değiştirilebilir elektrolit avantajına sahiptir, ancak şimdiye kadar sadece oksijen kullanılarak kanıtlanmıştır.

Elektrotlar çift katmanlı bir yapıdan oluşur: bir aktif elektrokatalizör katmanı ve bir hidrofobik katman. Aktif katman, çapraz bağlanmış kendinden destekli bir tabaka oluşturmak için öğütülmüş ve daha sonra oda sıcaklığında haddelenmiş organik bir karışımdan oluşur. Hidrofobik yapı, elektrolitin reaktan gaz akış kanallarına sızmasını önler ve gazların reaksiyon alanına difüzyonunu sağlar. İki katman daha sonra iletken bir metal ağ üzerine bastırılır ve sinterleme işlemi tamamlar.

Alkalin yakıt hücresindeki diğer varyasyonlar, metal hidrit yakıt hücresini ve doğrudan borohidrit yakıt hücresini içerir .

Asitli yakıt hücrelerine göre avantajları

Alkalin yakıt hücreleri, proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC), katı oksit yakıt hücreleri ve fosforik asit yakıt hücreleri gibi asidik elektrolitli yakıt hücrelerinden daha yüksek elektriksel verimlilikle ortam sıcaklığı ile 90 ° C arasında çalışır . Alkalin kimyası nedeniyle, katottaki oksijen indirgeme reaksiyonu (ORR) kinetiği, asidik hücrelere göre çok daha kolaydır ve anotta (yakıtın oksitlendiği yerde) demir , kobalt veya nikel gibi asil olmayan metallerin kullanımına izin verir. ); ve yüksek pH'ta elektrokimyasal reaksiyonlarla ilişkili düşük aşırı potansiyeller nedeniyle katotta gümüş veya demir ftalosiyaninler gibi daha ucuz katalizörler .

Alkali bir ortam ayrıca metanol gibi yakıtların oksidasyonunu hızlandırarak onları daha çekici hale getirir. Asidik yakıt hücrelerine kıyasla daha az kirlilik sonuçları.

Ticari beklentiler

AFC'ler, üretimi için en ucuz yakıt pilidir. Elektrotlar için gerekli olan katalizör, diğer yakıt hücresi tipleri için gerekli olanlara kıyasla ucuz olan bir dizi farklı kimyasaldan herhangi biri olabilir.

AFC'ler için ticari beklentiler, büyük ölçüde, bu teknolojinin son zamanlarda geliştirilen çift kutuplu plaka versiyonunda yatmaktadır ve önceki tek plakalı versiyonlara göre performansta önemli ölçüde üstündür.

Dünyanın ilk yakıt hücreli gemisi Hydra , 5 kW net çıkışa sahip bir AFC sistemi kullandı.

Bir başka yeni gelişme, sıvı elektrolit yerine katı bir anyon değişim membranı kullanan katı hal alkalin yakıt hücresidir . Bu, zehirlenme sorununu çözer ve sıvı üre çözeltileri veya metal amin kompleksleri gibi hidrojen açısından daha güvenli taşıyıcılar üzerinde çalışabilen alkali yakıt hücrelerinin geliştirilmesine izin verir.

Ayrıca bakınız

• Gaz difüzyon elektrodu
• Yakıt hücresi terimleri sözlüğü
• Hidrazin
• Hidrojen teknolojileri

Referanslar

Dış bağlantılar

Geliştiriciler

• AFC Enerji
• Bağımsız Güç
• Gencell Enerji