Alkaliczne ogniwo paliwowe

Schemat alkalicznego ogniwa paliwowego: 1. Wodór 2. Przepływ elektronów 3. Ładunek 4. Tlen 5. Katoda 6. Elektrolit 7. Anoda 8. Woda 9. Jony wodorotlenkowe

Alkaliczne ogniwo paliwowe ( AFC ), znane również jako ogniwo paliwowe Bacona na cześć swojego brytyjskiego wynalazcy, Francisa Thomasa Bacona , jest jedną z najbardziej rozwiniętych technologii ogniw paliwowych . Alkaliczne ogniwa paliwowe zużywają wodór i czysty tlen do produkcji wody pitnej, ciepła i elektryczności. Należą do najbardziej wydajnych ogniw paliwowych, mając potencjał sięgający 70%.

NASA używa alkalicznych ogniw paliwowych od połowy lat 60. XX wieku w misjach z serii Apollo i na promach kosmicznych .

Pół reakcji

Ogniwo paliwowe wytwarza energię poprzez reakcję redoks między wodorem a tlenem. Na anodzie wodór utlenia się zgodnie z reakcją:

${\ Displaystyle \ operatorname {H} _ {2} + \ operatorname {2OH} ^ {-} \ longrightarrow \ operatorname {2H} _ {2} \ operator {O} +\ operator {2e} ^{-}}$

produkując wodę i uwalniając elektrony. Elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny i wracają do katody , redukując tlen w reakcji:

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

produkujące jony wodorotlenkowe . Reakcja netto zużywa jedną cząsteczkę tlenu i dwie cząsteczki wodoru do produkcji dwóch cząsteczek wody. Energia elektryczna i ciepło powstają jako produkty uboczne tej reakcji.

Elektrolit

Dwie elektrody są oddzielone porowatą matrycą nasyconą wodnym roztworem alkalicznym, takim jak wodorotlenek potasu (KOH). Wodne roztwory alkaliczne nie odrzucają dwutlenku węgla (CO ₂ ), więc ogniwo paliwowe może zostać „zatrute” w wyniku przemiany KOH w węglan potasu (K ₂ CO ₃ ). Z tego powodu alkaliczne ogniwa paliwowe zwykle działają na czysty tlen lub przynajmniej oczyszczone powietrze i zawierają w projekcie „płuczkę” w celu usunięcia jak największej ilości dwutlenku węgla. Ponieważ wymagania dotyczące wytwarzania i magazynowania tlenu powodują, że AFC z czystym tlenem są drogie, niewiele jest firm zaangażowanych w aktywny rozwój tej technologii. W środowisku naukowym toczy się jednak debata na temat tego, czy zatrucie jest trwałe, czy odwracalne. Główne mechanizmy zatrucia to blokowanie porów w katodzie przez K ₂ CO ₃ , co nie jest odwracalne, oraz zmniejszenie przewodnictwa jonowego elektrolitu, które może być odwracalne przez przywrócenie pierwotnego stężenia KOH. Alternatywna metoda polega po prostu na zastąpieniu KOH, co przywraca komórce pierwotną moc wyjściową. Gdy dwutlenek węgla reaguje z elektrolitem, tworzą się węglany. Węglany mogą osadzać się na porach elektrod, które ostatecznie je zablokują. Stwierdzono, że AFC pracujące w wyższej temperaturze nie wykazują spadku wydajności, podczas gdy w temperaturze zbliżonej do pokojowej wykazano znaczny spadek wydajności. Uważa się, że zatrucie węglanami w temperaturze otoczenia jest wynikiem niskiej rozpuszczalności K ₂ CO ₃ w temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej, co prowadzi do wytrącania się K ₂ CO ₃ , który blokuje pory elektrody. Ponadto te wytrącacze stopniowo zmniejszają hydrofobowość warstwy podkładowej elektrody, prowadząc do degradacji strukturalnej i zalewania elektrody.

${\ Displaystyle \ operatorname {CO} _ {2} + \ operatorname {2KOH} \ longrightarrow \ operatorname {K} _ {2} \ operatorname { CO} _{3}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$ Z drugiej strony przenoszące ładunek jony wodorotlenkowe w elektrolicie mogą reagować z dwutlenkiem węgla pochodzącym z utleniania paliwa organicznego (tj. metanolu, kwasu mrówkowego kwas) lub powietrza, tworząc formy węglanowe.

${\ Displaystyle \ operatorname {2OH} ^ {-} + \ operatorname {CO} _ {2} \ longrightarrow \ operatorname {CO} _ {3 }^{2-}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$ Powstawanie węglanów wyczerpuje jony wodorotlenkowe w elektrolicie, co zmniejsza przewodnictwo elektrolitu iw konsekwencji wydajność ogniwa. Oprócz tych efektów objętościowych, szkodliwy może być również wpływ na gospodarkę wodną wynikający ze zmiany prężności pary i/lub zmiany objętości elektrolitu.

Podstawowe projekty

Z powodu tego efektu zatrucia istnieją dwa główne warianty AFC: elektrolit statyczny i elektrolit płynący. Statyczne lub unieruchomione ogniwa elektrolityczne typu stosowanego w statku kosmicznym Apollo i promie kosmicznym zazwyczaj wykorzystują separator azbestu nasycony wodorotlenkiem potasu. Produkcja wody jest kontrolowana przez parowanie z anody, która wytwarza czystą wodę, którą można odzyskać do innych zastosowań. Te ogniwa paliwowe zazwyczaj wykorzystują katalizatory platynowe, aby osiągnąć maksymalną wydajność objętościową i właściwą.

Konstrukcje z płynnym elektrolitem wykorzystują bardziej otwartą matrycę, która umożliwia przepływ elektrolitu między elektrodami (równolegle do elektrod) lub przez elektrody w kierunku poprzecznym (ogniwo paliwowe typu ASK lub EloFlux). W konstrukcjach z elektrolitem o przepływie równoległym wytwarzana woda jest zatrzymywana w elektrolicie, a stary elektrolit można wymienić na świeży, w sposób analogiczny do wymiany oleju w samochodzie. Aby umożliwić ten przepływ, wymagana jest większa przestrzeń między elektrodami, co przekłada się na wzrost rezystancji ogniwa, zmniejszając moc wyjściową w porównaniu z konstrukcjami z immobilizowanym elektrolitem. , jak _poważny jest problem trwałego blokowania katody przez _K2CO3 ; niektóre opublikowane raporty wskazywały na tysiące godzin pracy na antenie. W tych projektach zastosowano zarówno katalizatory platynowe, jak i katalizatory z metali nieszlachetnych, co skutkuje zwiększoną wydajnością i zwiększonymi kosztami.

Konstrukcja EloFlux, z poprzecznym przepływem elektrolitu, ma tę zaletę, że jest tania w konstrukcji i wymiennym elektrolicie, ale jak dotąd została zademonstrowana tylko przy użyciu tlenu.

Elektrody składają się z dwuwarstwowej struktury: aktywnej warstwy elektrokatalizatora oraz warstwy hydrofobowej. Warstwa aktywna składa się z mieszaniny organicznej, która jest mielona, a następnie walcowana w temperaturze pokojowej w celu utworzenia usieciowanego, samonośnego arkusza. Hydrofobowa struktura zapobiega przedostawaniu się elektrolitu do kanałów przepływu gazu reagentowego i zapewnia dyfuzję gazów do miejsca reakcji. Dwie warstwy są następnie dociskane do przewodzącej metalowej siatki, a spiekanie kończy proces.

Dalsze odmiany alkalicznego ogniwa paliwowego obejmują ogniwo paliwowe z wodorkiem metalu i bezpośrednie ogniwo paliwowe z borowodorkiem .

Zalety w stosunku do kwaśnych ogniw paliwowych

Alkaliczne ogniwa paliwowe działają w zakresie od temperatury otoczenia do 90°C i mają sprawność elektryczną wyższą niż ogniwa paliwowe z kwaśnym elektrolitem, takie jak ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC), ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem i ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym . Ze względu na chemię alkaliczną, kinetyka reakcji redukcji tlenu (ORR) na katodzie jest znacznie łatwiejsza niż w ogniwach kwasowych, co pozwala na użycie metali nieszlachetnych, takich jak żelazo , kobalt lub nikiel , na anodzie (gdzie utlenia się paliwo) ); oraz tańsze katalizatory, takie jak ftalocyjaniny srebra lub żelaza na katodzie, ze względu na niskie nadpotencjały związane z reakcjami elektrochemicznymi przy wysokim pH .

Środowisko alkaliczne przyspiesza również utlenianie paliw, takich jak metanol, czyniąc je bardziej atrakcyjnymi. Powoduje to mniejsze zanieczyszczenie w porównaniu z kwaśnymi ogniwami paliwowymi.

Perspektywy handlowe

AFC to najtańsze w produkcji ogniwa paliwowe. Katalizatorem wymaganym dla elektrod może być dowolna z wielu różnych chemikaliów, które są niedrogie w porównaniu z tymi wymaganymi dla innych typów ogniw paliwowych.

Perspektywy komercyjne dla AFC są w dużej mierze związane z niedawno opracowaną wersją tej technologii z płytą dwubiegunową, znacznie lepszą pod względem wydajności niż wcześniejsze wersje z płytą jednopłytową.

Pierwszy na świecie statek napędzany ogniwami paliwowymi, Hydra , wykorzystywał system AFC o mocy netto 5 kW.

Innym niedawnym osiągnięciem jest alkaliczne ogniwo paliwowe w stanie stałym, wykorzystujące stałą membranę anionowymienną zamiast ciekłego elektrolitu. Rozwiązuje to problem zatruć i umożliwia rozwój alkalicznych ogniw paliwowych, które mogą pracować na bezpieczniejszych nośnikach bogatych w wodór, takich jak płynne roztwory mocznika lub kompleksy amin metali.

Zobacz też

^ Redakcja Reutersa (14 września 2007). „Ogniwo paliwowe bez platyny opracowane w Japonii” . Reutera . Źródło 26 lutego 2016 r . {{ cite web }} : |author= ma nazwę ogólną ( pomoc )

Linki zewnętrzne

Deweloperzy

[1] Redakcja Reutersa (14 września 2007). „Ogniwo paliwowe bez platyny opracowane w Japonii” . Reutera . Źródło 26 lutego 2016 r . {{ cite web }} : |author= ma nazwę ogólną ( pomoc )

Ogniwa paliwowe
Przez elektrolit	Alkaliczne ogniwo paliwowe Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem
Paliwem	Ogniwo paliwowe na bezpośredni etanol Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem Ogniwo paliwowe z kwasem mrówkowym Reformowane ogniwo paliwowe na metanol Bezpośrednie węglowe ogniwo paliwowe Bateria cynkowo-powietrzna Ogniwo paliwowe z wodorkiem metalu Bezpośrednie ogniwo paliwowe z borowodorkiem
Ogniwa biopaliwowe	Enzymatyczne ogniwo biopaliwowe Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe
Inni	Niebieska energia Elektrogalwaniczne ogniwo paliwowe Bateria przepływowa Ogniwo fotoelektrochemiczne Regeneracyjne ogniwo paliwowe Ogniwo elektrolizera ze stałym tlenkiem Ujednolicone regeneracyjne ogniwo paliwowe Membrana do wymiany protonów Zespół elektrody membranowej Bezmembranowe ogniwa paliwowe Protonowe ceramiczne ogniwo paliwowe
Wodór	Gospodarka Składowanie Stacja Pojazd
Słowniczek