Alkaline anion exchange membrane fuel cell
একটি ক্ষারীয় অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন ফুয়েল সেল (এ. এ. ই. এম. এফ. সি), যা অ্যানায়ন-এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন ফুয়েল সেল (এ. ই. এম. এফ. সি), ক্ষারীয় মেমব্রেন ফুয়েল সেল (এ. এম. এফ. সি), হাইড্রক্সাইড এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন ফুয়েল সেল (এইচ. ই. এম. এফ. সি), বা কঠিন ক্ষারীয় ফুয়েল সেল (এস. এ. এফ. সি) নামেও পরিচিত, হল এক ধরনের ক্ষারীয় ফুয়েল সেল যা অ্যানোড এবং ক্যাথোড কামরা আলাদা করতে অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন ব্যবহার করে। ক্ষারীয় জ্বালানী কোষগুলি (এ. এফ. সি) বিদ্যুদ্বাহকের মধ্যে ক্ষারীয় আয়ন, সাধারণত হাইড্রক্সাইডের পরিবহনের উপর ভিত্তি করে তৈরি হয়। মূল এ. এফ. সি-গুলি তড়িৎবিশ্লেষ্য হিসাবে জলীয় পটাসিয়াম হাইড্রক্সাইড (কেওএইচ) ব্যবহার করত। এ. এ. ই. এম. এফ. সি এর পরিবর্তে একটি পলিমার ঝিল্লি ব্যবহার করে যা হাইড্রক্সাইড অ্যানায়ন পরিবহন করে। একটি এ. এ. ই. এম. এফ. সি-তে, জ্বালানি, হাইড্রোজেন বা মিথানল, অ্যানোডে এবং বাতাসের মাধ্যমে অক্সিজেন সরবরাহ করা হয় এবং ক্যাথোডে জল সরবরাহ করা হয়। অ্যানোডে জ্বালানি জারিত হয় এবং ক্যাথোডে অক্সিজেন হ্রাস পায়। ক্যাথোডে, অক্সিজেন হ্রাস হাইড্রক্সাইড আয়ন (OH−) তৈরি করে যা তড়িৎবিশ্লেষ্যের মাধ্যমে অ্যানোডের দিকে স্থানান্তরিত হয়। অ্যানোডে, হাইড্রক্সাইড আয়নগুলি জ্বালানির সাথে বিক্রিয়া করে জল এবং ইলেকট্রন তৈরি করে। ইলেকট্রনগুলি তড়িৎ প্রবাহ উৎপন্নকারী বর্তনীর মধ্য দিয়ে যায়। বৈদ্যুতিন রাসায়নিক বিক্রিয়া যখন হাইড্রোজেন জ্বালানী হয় অ্যানোডেঃ H2 + 2OH − → 2H2O + 2e − ক্যাথোডেঃ O2 + 2H2O + 4e − → 4OH-বৈদ্যুতিন রাসায়নিক বিক্রিয়া যখন মিথানল জ্বালানী হয় অ্যানোডেঃ CH3OH + 6OH − → CO2 + 5H2O + 6e-ক্যাথোডেঃ 3/2O2 + 3H2O + 6e − → 6OH-যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য পরিমাপ অ্যানায়ন বিনিময় ঝিল্লির যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি জ্বালানী কোষে পলিমার তড়িৎবিশ্লেষ্য ঝিল্লির মতো তড়িৎ রাসায়নিক শক্তি প্রযুক্তিতে ব্যবহারের জন্য প্রাসঙ্গিক। পলিমারের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলির মধ্যে রয়েছে স্থিতিস্থাপক মডুলাস, প্রসার্য শক্তি এবং নমনীয়তা। এই বৈশিষ্ট্যগুলি পরিমাপ করতে ব্যবহৃত ঐতিহ্যবাহী প্রসার্য চাপ-চাপ পরীক্ষা পরীক্ষামূলক পদ্ধতির প্রতি অত্যন্ত সংবেদনশীল কারণ পলিমারের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি পরিবেশের প্রকৃতির উপর ব্যাপকভাবে নির্ভরশীল যেমন জল, জৈব দ্রাবক, অক্সিজেন এবং তাপমাত্রার উপস্থিতি। তাপমাত্রা বৃদ্ধির ফলে সাধারণত স্থিতিস্থাপক মডুলাস হ্রাস পায়, প্রসার্য শক্তি হ্রাস পায় এবং নমনীয়তা বৃদ্ধি পায়, ধরে নেওয়া হয় যে মাইক্রোস্ট্রাকচারের কোনও পরিবর্তন নেই। কাচ রূপান্তর তাপমাত্রার কাছাকাছি, যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলিতে খুব উল্লেখযোগ্য পরিবর্তন লক্ষ্য করা যায়। ডায়নামিক মেকানিক্যাল অ্যানালাইসিস (ডি. এম. এ) হল তাপমাত্রার ফাংশন হিসাবে স্টোরেজ মডুলাস এবং লস মডুলাস সহ পলিমারের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি পরিমাপের জন্য একটি ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত প্রশংসাসূচক, বৈশিষ্ট্যকরণ কৌশল। যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য বৃদ্ধির পদ্ধতি অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (এইএম)-এর জন্য ব্যবহৃত পলিমারের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য বাড়ানোর একটি পদ্ধতি হল প্রচলিত টার্নারি অ্যামাইন এবং অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ গ্রুপকে গ্রাফ্টেড কোয়াটারনারি গ্রুপের সাথে প্রতিস্থাপন করা। এই আয়নোমারগুলির ফলে বড় সঞ্চয় এবং ইয়ং-এর মডুলি, একটি উচ্চ প্রসার্য শক্তি এবং উচ্চ নমনীয়তা দেখা যায়। হাইড্রক্সাইড থেকে হাইড্রোজেন কার্বনেট, কার্বনেট এবং ক্লোরাইড আয়নগুলিতে পাল্টা বিনিময় ঝিল্লির শক্তি এবং স্থিতিস্থাপক মডুলাসকে আরও বাড়িয়ে তোলে। নারদুচি এবং সহকর্মীরা এই উপসংহারে পৌঁছেছেন যে অ্যানায়নের প্রকারের সাথে সম্পর্কিত জল উত্তোলন যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলির জন্য খুব গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। ঝাং এবং তাঁর সহকর্মীরা সি1, সি3, সি4-প্রতিস্থাপিত ইমিডাজোলের কোয়াটারনাইজেশনের মাধ্যমে রাসায়নিকভাবে স্থিতিশীল ইমিডাজোলিয়াম ক্যাটায়ন সহ শক্তিশালী এবং ক্রসলিঙ্কড পলি (2,6-ডাইমিথাইল-1,4-ফেনিলিন অক্সাইড) (পিপিও) এইএম-এর একটি সিরিজ প্রস্তুত করেছিলেন এবং "থায়োল-ইনে" রসায়নের মাধ্যমে তাদের ক্রসলিঙ্ক করেছিলেন। এই আন্তঃসংযুক্ত এ. ই. এমগুলি চমৎকার ফিল্ম গঠনের বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করেছিল এবং পলিমার চেইনে ক্রমবর্ধমান এনট্যাঙ্গলমেন্ট মিথস্ক্রিয়ার কারণে একটি উচ্চতর প্রসার্য শক্তি প্রদর্শন করেছিল যা ফলস্বরূপ জল গ্রহণকে বাড়িয়ে তোলে। জল গ্রহণ এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যের মধ্যে এই দৃঢ় সম্পর্ক নারদুচি এবং সহকর্মীদের অনুসন্ধানকে প্রতিফলিত করে। ঝাং এট আল-এর অনুসন্ধান। এটি পরামর্শ দেয় যে স্থিতিশীল স্টেরিক্যালি-সুরক্ষিত জৈব ক্যাটায়নগুলির সাথে অ্যানায়ন পরিবাহী উপকরণগুলির আন্তঃসংযোগ ক্ষারীয় জ্বালানী কোষে ব্যবহারের জন্য শক্তিশালী এইএম তৈরি করার একটি কার্যকর কৌশল। ঐতিহ্যবাহী ক্ষারীয় জ্বালানী কোষের সাথে তুলনা 1960-এর দশকে নাসা দ্বারা অ্যাপোলো এবং স্পেস শাটল প্রোগ্রামের জন্য ব্যবহৃত ক্ষারীয় জ্বালানী কোষ তড়িৎবিশ্লেষ্য হিসাবে কেওএইচ-এর জলীয় দ্রবণ ব্যবহার করে প্রায় 70 শতাংশ দক্ষতায় বিদ্যুৎ উৎপাদন করে। সেই পরিস্থিতিতে, জারক বায়ু প্রবাহের মাধ্যমে আসা সিও2 এবং মিথেনলের জারণ থেকে পণ্য হিসাবে উৎপন্ন হয়, যদি মিথেনল জ্বালানী হয়, তবে তড়িৎবিশ্লেষ্য কেওএইচ-এর সাথে বিক্রিয়া করে সিও32−/এইচসিও3− গঠন করে। দুর্ভাগ্যবশত ফলস্বরূপ, কে2সিও3 বা কেএইচসিও3 বিদ্যুদ্বাহকের উপর অবক্ষেপিত হয়। যাইহোক, এই প্রভাবটি বিদ্যুদ্বাহক থেকে ক্যাটিয়ানিক পাল্টা অপসারণের মাধ্যমে প্রশমিত হতে দেখা গেছে এবং কার্বনেট গঠন বেশ কয়েকটি শিল্প ও একাডেমিক গোষ্ঠী দ্বারা সম্পূর্ণরূপে বিপরীতমুখী বলে দেখা গেছে, বিশেষ করে ভার্কো। জারণকারী উৎস হিসাবে বাতাস ব্যবহার করে কম খরচের সিও2 ব্যবস্থা তৈরি করা হয়েছে। ক্ষারীয় অ্যানায়ন বিনিময় ঝিল্লি জ্বালানী কোষে, জলীয় কেওএইচ একটি কঠিন পলিমার তড়িৎবিশ্লেষ্য ঝিল্লি দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়, যা হাইড্রক্সাইড আয়ন পরিচালনা করতে পারে। এটি তড়িৎবিশ্লেষ্য ফুটো এবং কার্বনেট বৃষ্টিপাতের সমস্যাগুলি কাটিয়ে উঠতে পারে, যদিও এখনও একটি ক্ষারীয় পরিবেশে একটি জ্বালানী কোষ পরিচালনার সুবিধার সুবিধা গ্রহণ করে। এ. এ. ই. এম. এফ. সি-তে, সি. ও2 জলের সাথে বিক্রিয়া করে এইচ2সিও3 গঠন করে, যা আরও এইচ. সি. ও3− এবং সি. ও32−-এর সাথে বিচ্ছিন্ন হয়ে যায়। CO32−/HCO3− এর ভারসাম্য ঘনত্ব 0.07% এর চেয়ে কম এবং ক্যাটায়ন (K +, Na +) এর অনুপস্থিতিতে বিদ্যুদ্বাহকগুলিতে কোনও বৃষ্টিপাত হয় না। তবে, ক্যাটায়নগুলির অনুপস্থিতি অর্জন করা কঠিন, কারণ বেশিরভাগ ঝিল্লি তাদের প্রাথমিক, রাসায়নিকভাবে স্থিতিশীল হ্যালোজেন ফর্ম থেকে কার্যকরী হাইড্রক্সাইড বা বাইকার্বোনেট ফর্মের জন্য শর্তযুক্ত এবং সক্রিয় সাইটগুলিতে প্রতিযোগিতামূলকভাবে শোষণ এবং হেল্মহোল্টজ-স্তর প্রভাব প্রয়োগ করে উভয়ই জ্বালানী কোষের কার্যকারিতাকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করতে পারে। তুলনায়, ক্ষারীয় জ্বালানী কোষের বিরুদ্ধে, ক্ষারীয় অ্যানায়ন বিনিময় ঝিল্লি জ্বালানী কোষগুলি কঠিন কার্বনেট বৃষ্টিপাত থেকে বিদ্যুদ্বাহককে রক্ষা করে, যা শুরু করার সময় জ্বালানী (অক্সিজেন/হাইড্রোজেন) পরিবহনের সমস্যা সৃষ্টি করতে পারে। যে বেশিরভাগ ঝিল্লি/আয়নোমার তৈরি করা হয়েছে সেগুলি সম্পূর্ণরূপে হাইড্রোকার্বন, যা অনুঘটক পুনর্ব্যবহার এবং কম জ্বালানী ক্রসওভারের অনুমতি দেয়। মিথানলের সহজ সঞ্চয় এবং পরিবহনের সুবিধা রয়েছে এবং হাইড্রোজেনের তুলনায় এর ভলিউমেট্রিক শক্তির ঘনত্ব বেশি। এছাড়াও, ক্যাথোড থেকে অ্যানোডে ঝিল্লিতে আয়ন পরিবহনের বিপরীত দিকের কারণে পি. ই. এম. এফ. সি-র তুলনায় এ. এ. ই. এম. এফ. সি-তে অ্যানোড থেকে ক্যাথোডে মিথানল ক্রসওভার হ্রাস পায়। উপরন্তু, এ. এ. ই. এম. এফ. সি-তে ইথানল এবং প্রোপানলের মতো উচ্চতর অ্যালকোহলের ব্যবহার সম্ভব, কারণ এ. এ. ই. এম. এফ. সি-তে অ্যানোড সম্ভাব্যতা অ্যালকোহলে উপস্থিত সি-সি বন্ধনকে জারিত করার জন্য যথেষ্ট। চ্যালেঞ্জ এ. এ. ই. এম. এফ. সি-র বিকাশে সবচেয়ে বড় চ্যালেঞ্জ হল অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (এ. ই. এম)। একটি সাধারণ এ. ই. এম মুক্ত ও. এইচ-আয়নগুলির চলাচলকে সহজতর করার জন্য একটি পলিমার মেরুদণ্ডের সাথে সংযুক্ত ক্যাটিয়ানিক আয়ন-এক্সচেঞ্জ গ্রুপ নিয়ে গঠিত। এটি পি. ই. এম. এফ. সি-র জন্য ব্যবহৃত নাফিয়নের বিপরীত, যেখানে একটি অ্যানায়ন পলিমারের সাথে সমযোজীভাবে সংযুক্ত থাকে এবং প্রোটনগুলি এক স্থান থেকে অন্য স্থানে লাফ দেয়। চ্যালেঞ্জ হল উচ্চতর পিএইচ এবং তাপমাত্রায় রাসায়নিক অবনতি ছাড়াই উচ্চ ওএইচ-আয়ন পরিবাহিতা এবং যান্ত্রিক স্থিতিশীলতা সহ এইএম তৈরি করা। অবক্ষয়ের প্রধান প্রক্রিয়াগুলি হল হফম্যান নির্মূল যখন β-হাইড্রোজেন উপস্থিত থাকে এবং ক্যাটিয়ানিক সাইটে OH-আয়ন দ্বারা সরাসরি নিউক্লিওফিলিক আক্রমণ। হফম্যান নির্মূলের দিকে রাসায়নিক স্থায়িত্বের উন্নতির দিকে একটি পদ্ধতি হল ক্যাশনিক সাইটে সমস্ত β-হাইড্রোজেন অপসারণ করা। এই সমস্ত অবক্ষয় প্রতিক্রিয়া পলিমার ব্যাকবোন রসায়ন এবং এইএম বিকাশের জন্য অন্তর্ভুক্ত করা যেতে পারে এমন ক্যাটায়নগুলিকে সীমাবদ্ধ করে। আরেকটি চ্যালেঞ্জ হল পি. ই. এম. এফ. সি-তে পর্যবেক্ষণ করা এইচ + পরিবাহিতা-র সঙ্গে তুলনীয় ও. এইচ-আয়ন পরিবাহিতা অর্জন করা। যেহেতু OH− আয়নগুলির বিচ্ছুরণ সহগ H + (বাল্ক জলে) এর অর্ধেক, তাই অনুরূপ ফলাফল অর্জনের জন্য OH− আয়নগুলির একটি উচ্চতর ঘনত্ব প্রয়োজন, যার জন্য পালিমারের উচ্চতর আয়ন বিনিময় ক্ষমতা প্রয়োজন। যাইহোক, উচ্চ আয়ন বিনিময় ক্ষমতা হাইড্রেশনে পলিমারের অত্যধিক স্ফীতির দিকে পরিচালিত করে এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলির সহগামী ক্ষতির দিকে পরিচালিত করে। এ. ই. এম. এফ. সি-তে জল ব্যবস্থাপনাও একটি চ্যালেঞ্জ হিসাবে দেখা গেছে। সাম্প্রতিক গবেষণায় দেখা গেছে যে খাদ্য গ্যাসগুলির আর্দ্রতার যত্নশীল ভারসাম্য উল্লেখযোগ্যভাবে জ্বালানী কোষের কার্যকারিতা উন্নত করে। আরও দেখুন প্রোটন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন ক্ষারীয় জ্বালানী কোষ রেফারেন্স জ্বালানী কোষ