Lúgos üzemanyagcella

Lúgos üzemanyagcella  - ( angolul  alkáli üzemanyagcella , AFC ), a legtöbbet tanulmányozott üzemanyagcellás technológia , ezek az elemek egy emberrel együtt repültek a Holdra .

A NASA a 60-as évek közepe óta használ lúgos üzemanyagcellákat az Apollo és Space Shuttle sorozatban . Az alkáli tüzelőanyag-cellák hidrogént és tiszta oxigént fogyasztanak, vizet, hőt és elektromosságot termelnek. Az üzemanyagcellák közül a leghatékonyabbak, akár 70%-os hatásfokkal.

Kémia

Az üzemanyagcella energiát termel a hidrogén és az oxigén közötti redox reakció során. Az anódnál a hidrogén a következő reakció szerint oxidálódik:

víz képződésével és elektronok felszabadulásával. Ebben az esetben az elektronok átfolynak a külső áramkörön, és visszatérnek a katódra, a reakcióban oxigént fogyasztanak:

és hidroxidionokat termel. Egy teljes reakcióciklus egy oxigénmolekulát és két hidrogénmolekulát használ fel, két vízmolekulát termelve. A reakció melléktermékeként villamos energia és hőenergia keletkezik.

Elektrolit

A két elektródát vizes lúgoldattal, általában kálium-hidroxiddal (KOH) telített porózus mátrix választja el. A vizes lúgos oldatok abszorbeálják a szén-dioxidot (CO 2 ), így a KOH kálium-karbonáttá (K 2 CO 3  ) történő átalakításával az üzemanyagcella "megmérgezheti" . Emiatt a lúgos tüzelőanyag-cellák jellemzően tiszta oxigénnel vagy legalább szén-dioxid-mentes levegővel működnek, és „mosó” kialakítást kell tartalmazniuk, hogy a lehető legtöbb szén-dioxidot eltávolítsák. Mivel az oxigén előállítására és tárolására vonatkozó követelmények megdrágítják a tiszta oxigént, több cég is aktívan népszerűsíti a technológiát. A tudományos közösségben azonban vita folyik arról, hogy a mérgezés tartós vagy visszafordítható. A fő mérgezési mechanizmusok a katód pórusainak elzárása K 2 CO 3 -mal, ami nem reverzibilis, valamint az elektrolit ionvezetőképességének csökkenése, amely reverzibilis lehet, visszaállítva a KOH eredeti koncentrációját. Egy alternatív módszer a KOH egyszerű cseréje, amely visszaállítja az üzemanyagcellát az eredeti állapotába. 

Amikor a szén-dioxid elektrolittal reagál, karbonátok képződnek. A karbonátok lerakódhatnak az elektródák pórusain, ami végül elzárja azokat. Megállapítást nyert, hogy az AFC magasabb hőmérsékleten történő működtetése nem mutatott teljesítményromlást, míg szobahőmérsékleten jelentős teljesítményromlást tapasztaltunk. A környezeti hőmérsékleten fellépő karbonátmérgezés a K 2 CO 3  szobahőmérsékleten való alacsony oldhatóságának az eredménye , ami K 2 CO 3 kicsapódásához vezet, ami elzárja az elektród pórusait. Ezenkívül ezek a kicsapó szerek fokozatosan csökkentik az elektróda hátlapjának hidrofóbságát, ami az elektróda szerkezeti degradációjához és eltömődéséhez vezet.

Másrészt az elektrolitban lévő töltést hordozó hidroxil-ionok reakcióba léphetnek a fosszilis tüzelőanyagok (pl. metanol, hangyasav) oxidációs termékeiből származó szén-dioxiddal vagy a levegővel karbonátvegyületeket képezve.

A karbonátok képződése kimeríti a hidroxidionokat az elektrolitból, csökkenti az elektrolit vezetőképességét és ezáltal az üzemanyagcellák teljesítményét. Az elektrolit térfogatának változása, a vízgőz nyomása a cellában és más tényezők szintén csökkenthetik a termelékenységet.

Alaptervek

E mérgező hatás miatt az AFC két fő változatát használják : statikus és áramló elektrolittal. Az Apollo űrszondákba és a Space Shuttle-be telepített statikus vagy immobilizált cellák, az elektrolit típusú, jellemzően kálium-hidroxiddal telített azbesztleválasztót használnak. A víztermelést a fenti képen látható módon az anódról történő párologtatás szabályozza, amely tiszta vizet állít elő, amely más célokra is felszabadítható. Ezek az üzemanyagcellák platina katalizátorokat használnak a maximális térfogat- és tömeghatékonyság elérése érdekében.

Az áramlási cellák nyitottabb mátrixot használnak, amely lehetővé teszi az elektrolit áramlását az elektródák között (párhuzamosan), vagy az elektródákon keresztül (például ASK vagy EloFlux üzemanyagcella). A párhuzamos áramlású elektrolitcsere-konstrukcióknál a keletkező vizet visszatartják az elektrolitban, és a régi elektrolitot friss elektrolitra lehet cserélni, hasonlóan az autók olajcseréjéhez. Az elektródák között további térre van szükség az áramlás áthaladásához, ami a cellák belső ellenállásának növekedéséhez, a kimenő teljesítmény csökkenéséhez vezet az immobilizált szerkezetekhez képest. Egy másik technológiai probléma a katód állandó blokkolása K 2 CO 3 -mal ; egyes közzétett jelentések több ezer órát mutattak a levegőben(?). Mind platina, mind nem nemesfém katalizátort használtak ezekben a tervekben, ami megnövekedett hatékonyságot és magasabb költségeket eredményezett.

Az EloFlux keresztáramú kialakításának az az előnye, hogy alacsony az elektrolit csereköltsége, de eddig csak oxigén felhasználásával bizonyították.

Az elektródák kétrétegű szerkezetből állnak: egy aktív elektrokatalizátor rétegből és egy hidrofób rétegből. Az aktív réteg szerves keverékből áll, amely alap, majd szobahőmérsékleten hengerelve térhálósított önhordó lemezt képez. A hidrofób szerkezet megakadályozza az elektrolit szivárgását a gázáramok reagenscsatornáiba, és biztosítja a gázok diffúzióját a reakcióhelyre. Ez a két réteg ezután lenyomja a vezetőképes fémhálót, és a szinterezés befejezi a folyamatot.

A lúgos tüzelőanyagcella további változatai közé tartozik a fém-hidrid üzemanyagcella és a közvetlen bór-hidrid üzemanyagcella.

Kereskedelmi kilátások

Az AFC -k a legolcsóbban gyártható üzemanyagcellák. Az elektródákhoz szükséges katalizátorok olyan vegyi anyagokból készülnek, amelyek olcsóbbak a más típusú üzemanyagcellákhoz szükséges katalizátorokhoz képest.

A kereskedelmi kilátások elsősorban az AFC -ben rejlenek, ennek a technológiának az újonnan kifejlesztett bipoláris lemezes változata jelentősen felülmúlja a korábbi egylemezes változatokat.

A világ első üzemanyagcellás hajója , a HYDRA 5 kW teljesítményű AFC rendszert  használ .

Egy másik közelmúltbeli fejlemény a szilárd fázisú lúgos üzemanyagcellák megjelenése, amelyek folyadék helyett anioncserélő lúgos membránokat használnak. Ez megoldja a mérgezés problémáját, és lehetővé teszi olyan lúgos üzemanyagcellák kifejlesztését, amelyek képesek biztonságosabb hidrogénben gazdag hordozókon, például folyékony karbamidoldatokon vagy fém-amin komplexeken működni.

Külső linkek

• GOST 15596-82 Kémiai áramforrások. Kifejezések és meghatározások
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732