Pila de combustie alcalină

O baterie AFC utilizată pe naveta spațială (sursa NASA )

Diagrama unei celule de combustibil alcaline:
(1) Hidrogen (2) Debit de electroni (3) Sarcină (4) Oxigen (5) Catod (6) Electrolit (7) Anod (8) Apă (9) Ioni de hidroxid

Celula de combustibil alcalină (numită AFC ), numită și pilă de combustibil Bacon (de Francis Thomas Bacon , inginer englez), este una dintre cele mai studiate tehnologii din categoria pilelor de combustibil și este, de asemenea, celulele care au permis omului să ajungă pe luna . De fapt, NASA a folosit aceste baterii de la mijlocul anilor 1960 în misiunile Apollo și în programul Space Shuttle . AFC-urile folosesc hidrogen și oxigen pur pentru a produce apă, căldură și electricitate. Durează mai mult și sunt mai puternice decât bateriile obișnuite.

Reactia

Celulele cu combustibil produc energie printr-o reacție redox ( redox) între oxigen și hidrogen . Pe anod hidrogenul se oxidează cu reacția:

\mathrm {H} _{2}+\mathrm {2OH} ^{-}\longrightarrow \mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {2e} ^{-}

{\ displaystyle \ mathrm {H} _ {2} + \ mathrm {2OH} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {2H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {2e} ^ {-}}

{\ displaystyle \ mathrm {H} _ {2} + \ mathrm {2OH} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {2H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {2e} ^ {-}}

producând astfel apă și eliberând doi electroni. Fluxul acestora pe circuitul extern creează funcționare și circuitul se închide odată cu reacția de pe catod

{\frac {1}{2}}\mathrm {O} _{2}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {2e} ^{-}\longrightarrow \mathrm {2OH} ^{-}

{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ mathrm {O} _ {2} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {2e} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {2OH} ^ {-}}

{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ mathrm {O} _ {2} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {2e} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {2OH} ^ {-}}

producând ioni hidroxid ( OH ^- ) care revin la anod prin electrolit . Reacția în ansamblu consumă o moleculă de oxigen și două de hidrogen, producând două molecule de apă. Electricitatea și căldura sunt (dorite) efecte secundare ale reacției.

Electrolit

Cei doi electrozi sunt separați de o matrice poroasă saturată cu o soluție apoasă alcalină , cum ar fi hidroxidul de potasiu ( KOH ). O problemă cu acest electrolit este formarea carbonatului de potasiu ( K ₂ CO ₃ ) datorită interacțiunii cu dioxidul de carbon ( CO ₂ ), otrăvind astfel celula AFC. Din acest motiv, celula trebuie să utilizeze oxigen pur sau aer purificat. Acest lucru face ca acest tip de baterii să fie foarte scumpe (deși există cercetări pentru a elimina această nevoie). Există controverse în comunitatea științifică cu privire la reversibilitatea otrăvirii cu dioxid de carbon. Mecanismul principal de otrăvire se datorează obstrucției porilor catodici cu carbonat, un fenomen ireversibil și reducerii conductivității ionice a electrolitului care ar putea fi restabilită prin restabilirea concentrației inițiale de KOH ^[1] .

Geometria grămezii

Datorită acestui efect de otrăvire, există două variante principale ale AFC: cu electrolit static și cu electrolit de flux. Celulele electrolitice statice sau imobilizate de tipul celor utilizate în naveta Apollo folosesc de obicei un separator de azbest saturat în hidroxid de potasiu. Producția de apă este controlată prin evaporare în afara anodului, așa cum se poate vedea în figură, care produce apă pură care poate fi utilizată pentru alte utilizări. Aceste pile de combustie utilizează de obicei catalizatori de platină pentru a obține o eficiență volumetrică și specifică maximă.

Celulele cu electrolit de flux folosesc o matrice mai deschisă care permite electrolitului să curgă fie între electrozi (paralel cu electrozii), fie peste electrozi într-o direcție transversală (celule de tip ASK sau EloFlux). În proiectarea fluxului paralel, apa produsă este ținută în electrolit, astfel încât un electrolit vechi ar trebui înlocuit cu unul nou, în mod similar cu schimbarea uleiului dintr-o mașină. În cazul proiectării fluxului paralel, este necesar mult mai mult spațiu între electrozi pentru a permite fluxul, ceea ce are ca rezultat o rezistență mai mare a celulei, puterea scăzând în comparație cu celulele electrolitice statice. O altă provocare pentru tehnologie va fi înțelegerea influenței otrăvirii cu catod cu K ₂ CO ₃ , cu toate acestea, unele lucrări publicate indică sute de ore de muncă în aer înainte ca efectul să fie consecvent. Aceste modele de celule utilizează atât catalizatori de platină, cât și catalizatori de metale ne-nobili, compensând eficiența specifică și volumetrică cu un cost redus. ^{[ fără sursă ]}

Designul EloFlux, cu fluxul său transversal de electrolit are avantajul unui cost redus de construcție și a unui electrolit ușor de înlocuit, dar până acum s-au făcut experimente folosind doar oxigen. Alte variante ale pilelor de combustibil alcaline includ pilele de combustie cu hidrură metalică și pilele de combustie directe cu borohidrură .

Perspectivele de afaceri

Cu toate acestea, AFC-urile sunt cele mai ieftine celule de combustibil de construit. Catalizatorul chimic necesar pentru electrozi poate fi oricare dintre cei existenți, care sunt relativ ieftini în comparație cu cei necesari pentru alte tipuri de celule de combustibil.

Perspectivele comerciale pentru AFC au crescut în tandem cu dezvoltarea recentă a platoului bipolar, care permite performanțe superioare față de versiunile anterioare ale platoului monopolar.

Prima navă din lume alimentată cu celule de combustibil (HYDRA) a fost construită de Christian Machens și a folosit un sistem AFC cu o putere de 6,5 kW. combustibil, care utilizează membrane schimbătoare de anioni în locul unui lichid. Această lucrare a fost începută la Universitatea din Surrey din Marea Britanie. Pentru detalii, consultați http://mypages.surrey.ac.uk/chs1jv/ Arhivat 14 februarie 2008 la Internet Archive.

Notă

^ Cuantificarea otrăvirii cu dioxid de carbon în celulele de combustibil alcaline care respiră aer în Journal of Power Sources , Volumul 153, Annata 1, 23 ianuarie 2006, pp. 1-10

Elemente conexe

linkuri externe

Astris Energi Inc , pe astris.ca .
Cenergie Corporation plc , pe cenergie.net .
Energie independentă , pe independentpower.biz .
Intensys , pe intensys.com .
Articol tehnologic pe AFCenergy.com , pe afcenergy.com .

Portalul chimiei

Portalul de electrochimie

Portalul Energiei

[poison-1] Cuantificarea otrăvirii cu dioxid de carbon în celulele de combustibil alcaline care respiră aer în Journal of Power Sources , Volumul 153, Annata 1, 23 ianuarie 2006, pp. 1-10

[1]