Войти
Топливный элемент с щелочной анионообменной мембраной (AAEMFC ), также известные как топливные элементы с анионообменной мембраной (AEMFC), топливные элементы с щелочной мембраной (AMFC), топливные элементы с гидроксидообменной мембраной (HEMFCs) или твердые щелочные топливные элементы (SAFC) - это тип щелочных топливных элементов, в которых используется анионообменная мембрана для разделения анодного и катодного отсеков.
Щелочные топливные элементы (AFC) основаны на переносе щелочных анионов, обычно гидроксида OH., между электродами. Исходные AFC использовали водный гидроксид калия (КОН) в качестве электролита. В AAEMFC вместо этого используется полимерная мембрана, которая переносит гидроксид-анионы.
Щелочной анионообменный мембранный топливный элемент В AAEMFC топливо, водород или метанол, подается на анод, а кислород через воздух, а вода подается на катод. Топливо окисляется на аноде, а кислород восстанавливается на катоде. На катоде восстановление кислорода производит ионы гидроксидов (ОН), которые мигрируют через электролит к аноду. На аноде ионы гидроксида реагируют с топливом с образованием воды и электронов. Электроны проходят через цепь, производя ток.
Электрохимические реакции, когда водород является топливом
На аноде: H 2 + 2OH → 2H 2 O + 2e
На катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
Электрохимические реакции при использовании метанола в качестве топлива
На аноде: CH 3 OH + 6OH → CO 2 + 5H 2 O + 6e-
На катоде: 3/2O 2 + 3H 2 O + 6e → 6OH
Щелочной топливный элемент, используемый НАСА в 1960-х годах для программы Apollo и Space Shuttle выработка электроэнергии с эффективностью почти 70% с использованием водного раствора KOH в качестве электролита. В этой ситуации CO 2, поступающий через воздушный поток окислителя и генерируемый как побочный продукт окисления метанола, если метанол является топливом, реагирует с электролитом KOH с образованием CO 3 / HCO 3. К сожалению, как следствие, на электродах осаждается K 2CO3или KHCO 3. 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. Были разработаны недорогие системы CO 2, использующие воздух в качестве источника окислителя. 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 эксплуатации топливного элемента в щелочной среде. В AAEMFCs CO 2 реагирует с водой с образованием H 2CO3, который далее диссоциирует на HCO 3 и CO 3. Равновесная концентрация CO 3 / HCO 3 составляет менее 0,07%, и в отсутствие катионов (K, Na) на электродах не происходит осаждения. 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.
Для сравнения, по сравнению с щелочным топливным элементом, топливные элементы с щелочно-анионообменной мембраной также защищают электрод от осаждения твердого карбоната, который может вызвать образование топлива ( кислород / водород) транспортная проблема во время запуска.
Подавляющее большинство разработанных мембран / иономеров полностью углеводородные, что позволяет значительно упростить рециркуляцию катализатора и снизить переход топлива. Метанол имеет то преимущество, что его легче хранить и транспортировать, и он 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 связей CC, присутствующих в спиртах.
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 ионов OH. Это противоположно Nafion, используемому для PEMFC, где анион ковалентно присоединен к полимеру, а протоны перескакивают с одного сайта на другой. Задача состоит в том, чтобы изготовить AEM с высокой ионной проводимостью OH и механической стабильностью без химического разрушения при повышенных pH и температурах. Основными механизмами деградации являются устранение Хофмана, когда присутствуют β-водороды, и прямая нуклеофильная атака ионом ОН на катионный сайт. 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.
Другой проблемой является достижение ионной проводимости OH, сравнимой с H-проводимостью, наблюдаемой в PEMFC. Поскольку коэффициент диффузии ионов OH вдвое меньше, чем у H (в объемной воде), для достижения аналогичных результатов требуется более высокая концентрация ионов OH, что, в свою очередь, требует более высокой ионообменной емкости полимера. 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, что тщательный баланс влажности подаваемых газов значительно улучшает характеристики топливных элементов.
