Alkalisk bränslecell

Alkalisk bränslecell  - ( engelska  alkalisk bränslecell, AFC ), den mest studerade bränslecellstekniken , dessa element flög med en man till månen .

NASA har använt alkaliska bränsleceller sedan mitten av 60-talet, i serierna Apollo och rymdfärja . Alkaliska bränsleceller förbrukar väte och rent syre och producerar vatten, värme och elektricitet. De är de mest effektiva av bränslecellerna, med en verkningsgrad på upp till 70 %.

Kemi

En bränslecell genererar energi genom en redoxreaktion mellan väte och syre. Vid anoden oxideras väte enligt reaktionen:

med bildning av vatten och frisättning av elektroner. I detta fall strömmar elektroner genom den externa kretsen och återgår till katoden, syre förbrukas i reaktionen:

och producerar hydroxidjoner. En komplett reaktionscykel förbrukar en syremolekyl och två vätemolekyler, vilket ger två vattenmolekyler. Elektricitet och värmeenergi produceras som biprodukter av denna reaktion.

Elektrolyt

De två elektroderna är åtskilda av en porös matris mättad med en vattenhaltig alkalilösning, vanligtvis kaliumhydroxid (KOH). Vattenhaltiga alkaliska lösningar absorberar koldioxid (CO 2 ), så bränslecellen kan bli "förgiftad" genom att omvandla KOH till kaliumkarbonat (K 2 CO 3  ). På grund av detta kör alkaliska bränsleceller vanligtvis på rent syre, eller åtminstone koldioxidfri luft, och måste ha en "skrubber"-design för att ta bort så mycket koldioxid som möjligt. Eftersom kraven på att producera och lagra syre gör rent syre dyrt finns det flera företag som aktivt marknadsför tekniken. Det finns dock en viss debatt i det vetenskapliga samfundet om huruvida förgiftning är permanent eller reversibel. De huvudsakliga förgiftningsmekanismerna är att blockera porerna i katoden med K 2 CO 3 , som inte är reversibel, och en minskning av jonledningsförmågan hos elektrolyten, som kan vara reversibel, vilket återställer KOH till sin ursprungliga koncentration. En alternativ metod innebär att man helt enkelt byter ut KOH, vilket återställer bränslecellen till sitt ursprungliga tillstånd. 

När koldioxid reagerar med en elektrolyt bildas karbonater. Karbonater kan avsättas på elektrodernas porer, vilket till slut blockerar dem. Det visade sig att drift av AFC vid högre temperaturer inte visade en prestandaförsämring, medan vid omkring rumstemperatur sågs en betydande prestandaförsämring. Karbonatförgiftning vid rumstemperatur tros vara resultatet av den låga lösligheten av K 2 CO 3  vid rumstemperatur, vilket leder till utfällning av K 2 CO 3 som blockerar elektrodens porer. Dessutom minskar dessa utfällningsmedel progressivt hydrofobiciteten hos elektrodstödskiktet, vilket leder till strukturell degradering och igensättning av elektroden.

Å andra sidan kan de laddningsbärande hydroxyljonerna i elektrolyten reagera med koldioxid från oxidationsprodukterna från fossila bränslen (dvs metanol, myrsyra) eller luft för att bilda karbonatföreningar.

Bildandet av karbonater utarmar hydroxidjoner från elektrolyten, minskar elektrolytens ledningsförmåga och därmed bränslecellernas prestanda. Förändringar i elektrolytvolym, vattenångtryck i cellen och andra faktorer kan också minska produktiviteten.

Grundläggande mönster

På grund av denna förgiftningseffekt används två huvudvarianter av AFC : med statisk och strömmande elektrolyt. Statiska eller immobiliserade celler, av elektrolyttyp, installerade i rymdfarkosten Apollo och rymdfärjan, använder vanligtvis en asbestavskiljare mättad med kaliumhydroxid. Vattenproduktionen styrs genom avdunstning från anoden, som visas på bilden ovan, vilket ger rent vatten som kan släppas ut för andra ändamål. Dessa bränsleceller använder platinakatalysatorer för att uppnå maximal volym- och masseffektivitet.

Flödescellkonstruktioner använder en mer öppen matris som gör att elektrolyten kan flöda antingen mellan elektroderna (parallellt) eller över elektroderna (som en ASK eller EloFlux bränslecell). Vid parallellflödeskonstruktioner för elektrolytbyte hålls det resulterande vattnet kvar i elektrolyten, och den gamla elektrolyten kan ersättas med färsk elektrolyt, på ett sätt som liknar att byta olja i en bil. Ytterligare utrymme krävs mellan elektroderna för att flödet ska passera, vilket leder till en ökning av det inre motståndet hos cellerna, en minskning av uteffekt jämfört med immobiliserade strukturer. Ett annat tekniskt problem är den konstanta blockeringen av katoden med K 2 CO 3 ; några publicerade rapporter har visat tusentals timmar i luften(?). Både platina- och basmetallkatalysatorer har använts i dessa konstruktioner, vilket resulterar i ökad effektivitet och ökade kostnader.

EloFlux cross -flow design har fördelen av låga kostnader för ersättningselektrolyt, men har hittills bara visats med syre.

Elektroderna består av en dubbelskiktsstruktur: ett aktivt elektrokatalysatorskikt och ett hydrofobt skikt. Det aktiva skiktet består av en organisk blandning som är en bas och sedan valsad vid rumstemperatur för att bilda ett tvärbundet självbärande ark. Den hydrofoba strukturen förhindrar läckage av elektrolyten in i reagenskanalerna i gasströmmarna och säkerställer diffusion av gaser till reaktionsstället. Dessa två skikt pressar sedan ner det ledande metallnätet och sintringen fullbordar processen.

Ytterligare variationer på den alkaliska bränslecellen inkluderar metallhydridbränslecellen och den direkta borhydridbränslecellen.

Kommersiella framtidsutsikter

AFC är den billigaste av bränslecellerna att tillverka. Katalysatorerna som krävs för elektroderna är gjorda av kemikalier som är billiga jämfört med de som krävs för andra typer av bränsleceller.

De kommersiella utsikterna ligger i första hand hos AFC , med en nyutvecklad bipolär plattversion av denna teknologi som avsevärt överträffar tidigare mono-plate-versioner.

Världens första bränslecellsfartyg HYDRA  använder ett AFC -system med en uteffekt på 5 kW.

En annan ny utveckling är tillkomsten av alkaliska bränsleceller i fast tillstånd som använder alkaliska anjonbytarmembran istället för flytande. Detta löser problemet med förgiftning och möjliggör utveckling av alkaliska bränsleceller som kan arbeta på säkrare väterika bärare som flytande urealösningar eller metallaminkomplex.

Externa länkar

• GOST 15596-82 Kemiska strömkällor. Termer och definitioner
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732