Топливный элемент с щелочной анионообменной мембраной - Alkaline anion exchange membrane fuel cell - Wikipedia

An топливный элемент с щелочной анионообменной мембраной (AAEMFC), также известный как топливные элементы с анионообменной мембраной (AEMFCs), щелочные мембранные топливные элементы (AMFC), топливные элементы с гидроксидообменной мембраной (HEMFC), или же твердые щелочные топливные элементы (SAFC) это тип щелочной топливный элемент который использует анионообменная мембрана для разделения анодного и катодного отсеков.

Щелочные топливные элементы (AFC) основаны на переносе щелочных анионов, обычно гидроксид ОЙ−
, между электродами. Исходные АФК использовали водные гидроксид калия (КОН) как электролит. AAEMFC вместо этого используют полимер мембрана, переносящая гидроксид-анионы.

Щелочной анионообменный мембранный топливный элемент

Механизм

В AAEMFC топливо, водород или метанол, подается в анод и кислород через воздух, а вода подается на катод. Топливо окисляется на аноде, а кислород восстанавливается на катоде. На катоде при восстановлении кислорода образуются ионы гидроксидов (OH−), которые мигрируют через электролит к аноду. На аноде ионы гидроксида реагируют с топливом с образованием воды и электронов. Электроны проходят по цепи, производя ток.[1]

Электрохимические реакции с водородом в качестве топлива

На аноде: H2 + 2OH− → 2H2O + 2e−

На катоде: O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−

Электрохимические реакции при использовании метанола в качестве топлива

На аноде: CH3ОН + 6ОН− → CO2 + 5H2O + 6e-

На катоде: 3/2O2 + 3H2O + 6e− → 6OH−

Сравнение с традиционным щелочным топливным элементом

Щелочной топливный элемент, используемый НАСА в 1960-е годы для Аполлон и программа Space Shuttle генерировала электричество с эффективностью почти 70%, используя водный раствор КОН в качестве электролита. В этой ситуации CO2 поступающий через воздушный поток окислителя и образующийся как побочный продукт окисления метанола, если метанол является топливом, вступает в реакцию с электролитом КОН с образованием CO32−/ HCO3−. К сожалению, как следствие, K2CO3 или KHCO3− осадок на электродах. Однако было обнаружено, что этот эффект смягчается удалением катионных противоионов с электрода, и несколько промышленных и академических групп, в первую очередь Varcoe, обнаружили, что образование карбоната полностью обратимо. Недорогой CO2 Системы были разработаны с использованием воздуха в качестве источника окислителя.[2] В топливном элементе с щелочной анионообменной мембраной водный КОН заменен мембраной из твердого полимерного электролита, которая может проводить ионы гидроксида. Это могло бы преодолеть проблемы утечки электролита и осаждения карбонатов, но при этом по-прежнему использовать преимущества работы топливного элемента в щелочной среде. В AAEMFCs CO2 реагирует с водой с образованием H2CO3, которые в дальнейшем диссоциируют до HCO3− и CO32−. Равновесная концентрация CO32−/ HCO3− составляет менее 0,07%, и в отсутствие катионов на электродах нет осадков (K+, Na+).[3][4] Однако отсутствия катионов трудно достичь, поскольку большинство мембран преобразованы в функциональные гидроксидные или бикарбонатные формы из их исходной химически стабильной галогенной формы и могут значительно повлиять на характеристики топливного элемента как за счет конкурентной адсорбции на активных центрах, так и за счет воздействия Гельмгольца. -слойные эффекты.[5]

Для сравнения, против щелочной топливный элемент, топливные элементы с щелочно-анионообменной мембраной также защищают электрод от твердых карбонат осадки, которые могут вызвать проблемы с транспортировкой топлива (кислорода / водорода) во время запуска.[6]

Подавляющее большинство разработанных мембран / иономеров полностью углеводороды, что позволяет значительно упростить рециркуляцию катализатора и снизить переход топлива. Метанол имеет преимущество более легкого хранения и транспортировки и имеет более высокую объемную плотность энергии по сравнению с водородом. Кроме того, переход метанола от анода к катоду снижен в AAEMFC по сравнению с PEMFC из-за противоположного направления переноса ионов в мембране от катода к аноду. Кроме того, в AAEMFCs возможно использование высших спиртов, таких как этанол и пропанол, поскольку анодный потенциал в AAEMFCs достаточен для окисления C-C облигации присутствует в спиртах.[7][8]

Вызовы

Самая большая проблема при разработке AAEMFC - это анионообменная мембрана (AEM). Типичный AEM состоит из основной цепи полимера с привязанными катионными ионообменными группами для облегчения движения свободных OH− ионы. Это обратное Нафион используется для PEMFC, где анион ковалентно присоединен к полимеру, а протоны перескакивают с одного сайта на другой. Задача состоит в том, чтобы изготовить AEM с высоким содержанием OH.− ионная проводимость и механическая стабильность без химического разрушения при повышенных pH и температурах. Основные механизмы деградации: Устранение Хофмана когда присутствуют β-водороды и прямая нуклеофильная атака ОН− ион на катионном сайте. Один из подходов к повышению химической стабильности по отношению к устранению Хофмана заключается в удалении всех β-водородов на катионном сайте. Все эти реакции разложения ограничивают химический состав основной цепи полимера и катионы, которые могут быть включены для разработки AEM.

Еще одна проблема - достижение OH− ионная проводимость сравнима с H+ проводимость, наблюдаемая в ПЭМТЭ. Поскольку коэффициент диффузии OH− ионов вдвое меньше, чем H+ (в объемной воде) более высокая концентрация ОН− ионы необходимы для достижения аналогичных результатов, что, в свою очередь, требует более высокой ионообменной способности полимера.[9] Однако высокая ионообменная способность приводит к чрезмерному набуханию полимера при гидратации и сопутствующей потере механических свойств.

Управление водными ресурсами в AEMFC также оказалось проблемой. Недавние исследования показали [10] что тщательный баланс влажности подаваемых газов значительно улучшает характеристики топливных элементов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Зима, М; Бродд, Р. Дж. (2004). «Что такое батареи, топливные элементы и суперконденсаторы?». Химические обзоры. 104 (10): 4245–4269. Дои:10.1021 / cr020730k. PMID  15669155.
  2. ^ «US8628889 B2 - Метод работы анионообменного топливного элемента мембранного типа».
  3. ^ Adams, L.A .; Варко, Дж. Р. (2008). ChemSusChem (PDF). 1 (1–2): 79–81. Дои:10.1002 / cssc.200700013. PMID  18605667 http://epubs.surrey.ac.uk/1686/1/fulltext.pdf | url = отсутствует заголовок (помощь).CS1 maint: журнал без названия (связь)
  4. ^ Shen, P.K .; Сюй, К. (2005). Adv. Топливные элементы: 149–179.CS1 maint: журнал без названия (связь)
  5. ^ Mills, J. N .; McCrum, I.T .; Яник, М. Дж. (2014). Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (27): 13699–13707. Bibcode:2014PCCP ... 1613699M. Дои:10.1039 / c4cp00760c. PMID  24722828.CS1 maint: журнал без названия (связь)
  6. ^ Анионообменная мембрана и иономер для щелочных мембранных топливных элементов В архиве 7 декабря 2008 г. Wayback Machine
  7. ^ Varcoe, J. R .; Слэйд, Р. К. Т. (2005). «Перспективы щелочных анионообменных мембран в низкотемпературных топливных элементах» (PDF). Топливные элементы. 5 (2): 187–200. Дои:10.1002 / fuce.200400045.
  8. ^ Шен, П. К .; Сюй, К. (2005). Adv. Топливные элементы: 149–179.CS1 maint: журнал без названия (связь)
  9. ^ Agel, E; Bouet, J .; Фоварк, Дж. Ф. (2001). «Характеристика и использование анионных мембран для щелочных топливных элементов». Журнал источников энергии. 101 (2): 267–274. Bibcode:2001JPS ... 101..267A. Дои:10.1016 / s0378-7753 (01) 00759-5.
  10. ^ Omasta, T.J .; Wang, L .; Пэн, X .; Lewis, CA; Varcoe, J.R .; Мастейн, W.E. (2017). «Важность балансировки мембранной и электродной воды в топливных элементах с анионообменной мембраной» (PDF). Журнал источников энергии. 375: 205–213. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2017.05.006.