Suora metanolipolttokenno - Direct methanol fuel cell

Suora metanolipolttokenno

Suorametanoliset polttokennot tai DMFC: t ovat protonivaihtopolttokennojen alaluokka, joissa polttoaineena käytetään metanolia . Niiden tärkein etu on metanolin, energiatiheän mutta kohtuullisen vakaan nesteen kuljettaminen kaikissa ympäristöolosuhteissa.

Vaikka DMFC: n termodynaaminen teoreettinen energian muuntotehokkuus on 97%; Tällä hetkellä saavutettavissa oleva energian muuntotehokkuus operatiivisille kennoille saavuttaa 30-40%. Tehokasta tutkimusta lupaavista lähestymistavoista tehostetaan.

Tehokkaammalla versiolla suorasta polttokennosta olisi keskeinen rooli metanolin teoreettisessa käytössä yleisenä energiansiirtoväliaineena, oletetussa metanolitaloudessa .

Solu

Toisin kuin epäsuorat metanolipolttokennot , joissa metanoli reagoi vetyyn höyryreformoimalla, DMFC: t käyttävät metanoliliuosta (tavallisesti noin 1 M , eli noin 3% massa) reagenssin kuljettamiseen kennoon; Yleiset käyttölämpötilat ovat alueella 50–120 ° C, missä korkeat lämpötilat ovat yleensä paineistettuja. DMFC: t ovat tehokkaampia korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, mutta nämä olosuhteet aiheuttavat koko järjestelmässä niin paljon tappioita, että etu menetetään; siksi ilmakehän paineen kokoonpanot ovat tällä hetkellä edullisia.

Metanolin risteyksen vuoksi ilmiö, jossa metanoli diffundoituu kalvon läpi reagoimatta, metanolia syötetään heikkona liuoksena: tämä vähentää tehokkuutta merkittävästi, koska ylitetty metanoli saavuttaa heti ilmapuolen (katodin) reagoi ilman kanssa; vaikka tarkasta kinetiikasta keskustellaan, lopputulos on kennojännitteen lasku. Cross-over on edelleen merkittävä tekijä tehottomuudessa, ja usein puolet metanolista häviää cross-over. Metanolin risteystä ja/tai sen vaikutuksia voidaan lievittää (a) kehittämällä vaihtoehtoisia kalvoja (esim.), (B) parantamalla katalyyttikerroksen elektrohapetusprosessia ja parantamalla katalyytin ja kaasun diffuusiorakenteiden rakennetta (esim. ja (c) optimoidaan virtauskentän ja kalvoelektrodikokoonpanon (MEA) rakenne, joka voidaan saavuttaa tutkimalla virtatiheysjakaumia (esim.).

Muut asiat kuuluvat hallintaan hiilidioksidia syntyy klo anodi , hidas dynaaminen käyttäytyminen ja kyky ylläpitää liuoksen vedessä.

Ainoat tämäntyyppisiä polttokennoja sisältävät jätteet ovat hiilidioksidi ja vesi.

Sovellus

Nykyisten DMFC -yhdisteiden teho on rajallinen, mutta ne voivat silti tallentaa suuren energiasisällön pieneen tilaan. Tämä tarkoittaa, että ne voivat tuottaa pienen määrän virtaa pitkän ajan kuluessa. Tämä tekee niistä huonosti soveltuvia suurien ajoneuvojen virtalähteeseen (ainakin suoraan), mutta ihanteellinen pienille ajoneuvoille, kuten trukkeille ja hinaajille, sekä kulutustavaroille, kuten matkapuhelimille , digitaalikameroille tai kannettaville tietokoneille . DMFC -yhdisteiden sotilaalliset sovellukset ovat uusi sovellus, koska niillä on alhainen melutaso ja lämpöominaisuudet eivätkä ne sisällä myrkyllisiä jätevesiä. Näitä sovelluksia ovat virtalähde kannettaville taktisille laitteille, akkulaturit ja itsenäinen virta testi- ja koulutuslaitteille. Laitteita on saatavana teholla 25 wattia - 5 kilowattia ja kesto jopa 100 tuntia tankkausten välillä. DMFC soveltuu erityisesti 0,3 kW: n tehoon. Yli 0,3 kW: n teholla epäsuora metanolipolttokenno on tehokkaampi ja kustannustehokkaampi. Nestemäisen metanoli-vesiseoksen jäädyttäminen pinossa alhaisessa ympäristön lämpötilassa voi olla ongelmallista DMFC-kalvon kannalta (toisin kuin epäsuora metanolipolttokenno).

Metanoli

Metanoli on neste -97,6 ° C - 64,7 ° C ilmanpaineessa. Volumetrinen energiatiheys metanolia on suuruusluokkaa suurempi kuin jopa erittäin tiivistettyä vetyä , noin kaksi kertaa suurempi kuin nestemäistä vetyä ja 2,6 kertaa suurempi kuin litium-ioni-akkuja . Energiatiheys massaa kohti on kymmenesosa vedyn tiheydestä, mutta 10 kertaa suurempi kuin litiumioniakkujen.

Metanoli on lievästi myrkyllistä ja helposti syttyvää . Kansainvälisen siviili -ilmailujärjestön (ICAO) vaarallisten aineiden paneeli (DGP) kuitenkin äänesti marraskuussa 2005, että matkustajat voivat kuljettaa ja käyttää mikropolttokennoja ja metanolipolttoainepatruunoita lentokoneissa kannettavien tietokoneiden ja muiden kulutuselektroniikkalaitteiden käyttämiseksi. Yhdysvaltain liikenneministeriö antoi 24. syyskuuta 2007 ehdotuksen, jonka mukaan lentomatkustajat voivat kuljettaa polttokennoja. Liikenneministeriö antoi 30. huhtikuuta 2008 lopullisen päätöksen, jonka mukaan matkustajat ja miehistö voivat kuljettaa hyväksyttyä polttokennoa, johon on asennettu metanolikasetti ja enintään kaksi ylimääräistä varapatruunaa. On syytä huomata, että 200 ml: n metanolipatruunan enimmäistilavuus, joka on sallittu lopullisessa päätöksessä, on kaksinkertainen 100 ml: n raja-arvoon, joka koskee Transportation Security Administrationin sallittuja nesteitä käsimatkatavaroissa.

Reaktio

DMFC tukeutuu hapettuminen ja metanolin on katalyytin kerroksen muodossa hiilidioksidia . Vesi kulutetaan anodilla ja tuotetaan katodilla . Protonit (H ⁺ ) kuljetetaan protonivaihtomembraanin läpi - usein Nafionista - katodille, jossa ne reagoivat hapen kanssa veden tuottamiseksi. Elektronit kulkevat ulkoisen piirin kautta anodista katodiin, tarjoten virtaa kytketyille laitteille.

Puoli-reaktiot ovat:

	Yhtälö
Anodi	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH+H_ {2} O \-6 \ H^{+}+6 \ e^{-}+CO_ {2}}}$ hapettuminen
Katodi	${\ displaystyle \ mathrm {{\ frac {3} {2}} O_ {2} +6 \ H^{+}+6 \ e^{-} \ to 3 \ H_ {2} O}}$ vähennys
Yleinen reaktio	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH+{\ frac {3} {2}} O_ {2} \ to 2 \ H_ {2} O+CO_ {2}}}$ redoksireaktio

Metanoli ja vesi adsorboituvat katalyyttiin, joka yleensä koostuu platina- ja ruteniumpartikkeleista , ja menettävät protoneja, kunnes muodostuu hiilidioksidia. Kuten vettä kulutetaan anodi reaktiossa, puhtaalla metanolilla ei voida käyttää ilman sellaisen veden kautta joko passiivinen kuljetus, kuten takaisin diffuusio ( osmoosi ), tai aktiivista kuljetusta , kuten pumppaamalla. Veden tarve rajoittaa polttoaineen energiatiheyttä.

Platinaa käytetään katalyyttinä molemmissa puolireaktioissa. Tämä vaikuttaa kennojännitepotentiaalin menetykseen, koska mikä tahansa katodikammiossa oleva metanoli hapettuu. Jos löydettäisiin toinen katalyytti hapen vähentämiseksi, metanolin jakautumisongelma todennäköisesti vähentyisi merkittävästi. Lisäksi platina on erittäin kallista ja edistää näiden kennojen korkeita kilowattikustannuksia.

Metanolin hapetusreaktion aikana muodostuu hiilimonoksidia (CO), joka adsorboituu voimakkaasti platinakatalyyttiin, mikä vähentää käytettävissä olevien reaktiokohtien määrää ja siten kennon suorituskykyä. Muiden metallien, kuten ruteniumin tai kullan , lisääminen platinakatalyyttiin pyrkii parantamaan tätä ongelmaa. Platina-ruteniumkatalyyttien tapauksessa ruteniumin oksofiilisen luonteen uskotaan edistävän hydroksyyliradikaalien muodostumista sen pinnalle, joka voi sitten reagoida platinaatomeihin adsorboidun hiilimonoksidin kanssa. Polttokennon vesi hapetetaan hydroksiradikaaliksi seuraavan reaktion kautta: H ₂ → OH • + H ⁺ + e ^- . Sitten hydroksiradikaali hapettaa hiilimonoksidin muodostaen hiilidioksidia , joka vapautuu pinnalta kaasuna: CO + OH • → CO ₂ + H ⁺ + e ^- .

Käyttämällä näitä OH -ryhmiä puolireaktioissa ne ilmaistaan myös seuraavasti:

	Yhtälö
Anodi	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH+6 \ OH^{-} \-5 \ H_ {2} O+6 \ e^{-}+CO_ {2}}}$ hapettuminen
Katodi	${\ displaystyle \ mathrm {{\ frac {3} {2}} O_ {2} +3 \ H_ {2} O+6 \ e^{-} \ to 6 \ OH^{-}}}$ vähennys
Yleinen reaktio	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH+{\ frac {3} {2}} O_ {2} \ to 2 \ H_ {2} O+CO_ {2}}}$ redoksireaktio

Risteysvirta

Anodipuolen metanoli on yleensä heikkoa liuosta (1 M - 3 M), koska suurina pitoisuuksina metanolilla on taipumus diffundoitua kalvon läpi katodiin, jossa sen pitoisuus on noin nolla, koska happi kuluttaa sitä nopeasti. Pienet pitoisuudet auttavat vähentämään ylitystä, mutta myös rajoittavat suurinta saavutettavaa virtaa.

Käytännön toteutus on yleensä se, että liuoslenkki tulee anodiin, poistuu siitä, täytetään uudelleen metanolilla ja palaa jälleen anodille. Vaihtoehtoisesti optimoitujen rakenteiden polttokennoja voidaan syöttää suoraan korkean pitoisuuden metanoliliuoksilla tai jopa puhtaalla metanolilla.

Veden vetäminen

Vesi anodisessa silmukassa häviää anodisen reaktion, mutta lähinnä siihen liittyvän veden vastusvoiman vuoksi: jokainen anodilla muodostunut protoni vetää useita vesimolekyylejä katodille. Lämpötilasta ja kalvotyypistä riippuen tämä luku voi olla 2-6.

Lisäyksiköt

Suora metanolipolttokenno on yleensä osa suurempaa järjestelmää, joka sisältää kaikki sen käytön mahdollistavat liitännäisyksiköt. Verrattuna useimpiin muihin polttokennotyyppeihin, DMFC -yhdisteiden liitännäisjärjestelmä on suhteellisen monimutkainen. Tärkeimmät syyt sen monimutkaisuuteen ovat:

veden toimittaminen metanolin kanssa tekisi polttoaineen saannista hankalampaa, joten vesi on kierrätettävä silmukassa;
CO ₂ on poistettava polttokennosta poistuvasta liuosvirrasta;
vesi anodisessa silmukassa kuluu hitaasti reaktion ja vetämisen vuoksi; vesi on otettava talteen katodipuolelta tasaisen toiminnan ylläpitämiseksi.

Katso myös

Viitteet

Lue lisää

Merhoff, Henry ja Helbig, Peter. Suoran metanolipolttokennon kehittäminen ja käyttöönotto; ITEA -lehti , maaliskuu 2010

Languages

In other projects