Alkaline anion exchange membrane fuel cell
આલ્કલાઇન એનાયન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન ફ્યુઅલ સેલ (એ. એ. ઇ. એમ. એફ. સી.), જેને એનાયન-એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન ફ્યુઅલ સેલ (એ. ઇ. એમ. એફ. સી.), આલ્કલાઇન મેમ્બ્રેન ફ્યુઅલ સેલ (એ. એમ. એફ. સી.), હાઇડ્રોક્સાઇડ એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન ફ્યુઅલ સેલ (એચ. ઇ. એમ. એફ. સી.) અથવા સોલિડ આલ્કલાઇન ફ્યુઅલ સેલ (એસ. એ. એફ. સી.) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે એક પ્રકારનો આલ્કલાઇન ફ્યુઅલ સેલ છે જે એનોડ અને કેથોડ ખંડને અલગ કરવા માટે એનાયન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેનનો ઉપયોગ કરે છે. આલ્કલાઇન ઇંધણ કોષો (એએફસી) ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે આલ્કલાઇન આયન, સામાન્ય રીતે હાઇડ્રોક્સાઇડના પરિવહન પર આધારિત હોય છે. મૂળ એ. એફ. સી. એ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે જલીય પોટેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (KOH) નો ઉપયોગ કર્યો હતો. એ. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. તેના બદલે પોલિમર પટલનો ઉપયોગ કરે છે જે હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનોનું પરિવહન કરે છે. એ. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. માં, બળતણ, હાઇડ્રોજન અથવા મિથેનોલ, એનોડ પર અને ઓક્સિજન હવા દ્વારા પૂરા પાડવામાં આવે છે, અને કેથોડ પર પાણી પૂરું પાડવામાં આવે છે. એનોડ પર બળતણનું ઓક્સિડાઇઝેશન થાય છે અને કેથોડ પર ઓક્સિજન ઘટે છે. કેથોડ પર, ઓક્સિજન ઘટાડો હાઇડ્રોક્સાઇડ આયન (OH−) ઉત્પન્ન કરે છે જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા એનોડ તરફ સ્થળાંતર કરે છે. એનોડ પર, હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનો પાણી અને ઇલેક્ટ્રોન ઉત્પન્ન કરવા માટે બળતણ સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે. ઇલેક્ટ્રોન વર્તમાન ઉત્પન્ન કરતી સર્કિટમાંથી પસાર થાય છે. જ્યારે હાઇડ્રોજન એ એનોડ પર બળતણ હોય ત્યારે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓઃ H2 + 2OH − → 2H2O + 2e − કેથોડ પરઃ O2 + 2H2O + 4e − → 4OH − ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓ જ્યારે મિથેનોલ બળતણ હોય ત્યારે એનોડઃ CH3OH + 6OH − → CO2 + 5H2O + 6e-કેથોડઃ 3/2O2 + 3H2O + 6e − → 6OH-યાંત્રિક ગુણધર્મો માપવા એનાયન વિનિમય પટલના યાંત્રિક ગુણધર્મો બળતણ કોષોમાં પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પટલ જેવી ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઊર્જા તકનીકોમાં ઉપયોગ માટે સુસંગત છે. પોલિમરના યાંત્રિક ગુણધર્મોમાં સ્થિતિસ્થાપક માપાંક, તાણ શક્તિ અને નમ્યતાનો સમાવેશ થાય છે. આ ગુણધર્મોને માપવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પરંપરાગત તાણ-તાણ પરીક્ષણ પ્રાયોગિક પ્રક્રિયા માટે ખૂબ જ સંવેદનશીલ છે કારણ કે પોલિમરના યાંત્રિક ગુણધર્મો પાણી, કાર્બનિક દ્રાવકો, ઓક્સિજન અને તાપમાનની હાજરી જેવા પર્યાવરણની પ્રકૃતિ પર ભારે આધાર રાખે છે. તાપમાનમાં વધારો કરવાથી સામાન્ય રીતે સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસમાં ઘટાડો, તાણ શક્તિમાં ઘટાડો અને નમ્યતામાં વધારો થાય છે, એમ ધારીને કે માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરમાં કોઈ ફેરફાર થયો નથી. કાચ સંક્રમણ તાપમાનની નજીક, યાંત્રિક ગુણધર્મોમાં ખૂબ જ નોંધપાત્ર ફેરફારો જોવા મળે છે. ડાયનેમિક મિકેનિકલ એનાલિસિસ (ડીએમએ) એ તાપમાનના કાર્યો તરીકે સ્ટોરેજ મોડ્યુલસ અને લોસ મોડ્યુલસ સહિત પોલિમરના યાંત્રિક ગુણધર્મોને માપવા માટે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી પૂરક, લાક્ષણિકતા તકનીક છે. યાંત્રિક ગુણધર્મો વધારવાની પદ્ધતિઓ આયન વિનિમય પટલ (એઇએમ) માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પોલિમરના યાંત્રિક ગુણધર્મોને વધારવાની એક પદ્ધતિ પરંપરાગત ત્રિમાસિક એમાઇન અને આયન વિનિમય જૂથોને કલમબદ્ધ ચતુર્થાંશ જૂથો સાથે બદલવાની છે. આ આયનોમર્સ મોટા સંગ્રહ અને યંગના મોડ્યુલી, ઉચ્ચ તાણ શક્તિ અને ઉચ્ચ નમ્યતામાં પરિણમે છે. હાઇડ્રોક્સાઇડથી હાઇડ્રોજન કાર્બોનેટ, કાર્બોનેટ અને ક્લોરાઇડ આયનોમાં કાઉન્ટરિયનનું વિનિમય પટલની તાકાત અને સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસને વધુ વધારે છે. નારદુચી અને તેમના સાથીઓએ તારણ કાઢ્યું હતું કે પાણીનું ગ્રહણ, આયનના પ્રકાર સાથે સંબંધિત છે, જે યાંત્રિક ગુણધર્મો માટે ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. ઝાંગ અને તેમના સાથીઓએ C1, C3, C4-અવેજી ઇમિડાઝોલના ચતુર્થાંશકરણ દ્વારા રાસાયણિક રીતે સ્થિર ઇમિડાઝોલિયમ કેટાયન સાથે મજબૂત અને ક્રોસ-લિન્ક્ડ પોલી (2,6-ડાઇમિથાઇલ-1,4-ફેનિલિન ઓક્સાઇડ) (PPO) AEM ની શ્રેણી તૈયાર કરી અને તેમને "થિયોલ-એન" રસાયણશાસ્ત્ર દ્વારા ક્રોસ-લિન્કિંગ કર્યું. આ ક્રોસ-લિન્ક્ડ એઇએમએ ઉત્કૃષ્ટ ફિલ્મ બનાવવાના ગુણધર્મો દર્શાવ્યા હતા અને પોલિમર સાંકળોમાં ગૂંચવણની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓમાં વધારો થવાને કારણે ઉચ્ચ તાણ શક્તિ દર્શાવી હતી, જેના પરિણામે પાણીનો વપરાશ વધ્યો હતો. જળ ગ્રહણ અને યાંત્રિક ગુણધર્મો વચ્ચેનો આ મજબૂત સંબંધ નારદુચી અને તેમના સાથીદારોના તારણોને પ્રતિબિંબિત કરે છે. ઝાંગ એટ અલના તારણો. સૂચવે છે કે સ્થિર સ્ટેરિકલી-સંરક્ષિત કાર્બનિક કેટાયન સાથે એનાયન વાહક સામગ્રીનું ક્રોસ-લિંકિંગ એ આલ્કલાઇન ઇંધણ કોષોમાં ઉપયોગ માટે મજબૂત એઇએમનું ઉત્પાદન કરવાની અસરકારક વ્યૂહરચના છે. પરંપરાગત આલ્કલાઇન ફ્યુઅલ સેલ સાથે સરખામણી 1960ના દાયકામાં નાસા દ્વારા એપોલો અને સ્પેસ શટલ પ્રોગ્રામ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા આલ્કલાઇન ફ્યુઅલ સેલે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે KOHના જલીય દ્રાવણનો ઉપયોગ કરીને લગભગ 70 ટકા કાર્યક્ષમતા સાથે વીજળી ઉત્પન્ન કરી હતી. તે પરિસ્થિતિમાં, CO2 ઓક્સિડન્ટ હવાના પ્રવાહમાંથી અંદર આવે છે અને મિથેનોલના ઓક્સિડેશનમાંથી ઉત્પાદન તરીકે ઉત્પન્ન થાય છે, જો મિથેનોલ બળતણ છે, તો ઇલેક્ટ્રોલાઇટ KOH સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને CO32−/HCO3− બનાવે છે. કમનસીબે પરિણામે, કે2સીઓ3 અથવા કેએચસીઓ3 ઇલેક્ટ્રોડ પર અવક્ષેપ કરે છે. જો કે, ઇલેક્ટ્રોડમાંથી કેશનિક કાઉન્ટરિયનોને દૂર કરવાથી આ અસર ઓછી થઈ હોવાનું જાણવા મળ્યું છે, અને કાર્બોનેટની રચના કેટલાક ઔદ્યોગિક અને શૈક્ષણિક જૂથો, ખાસ કરીને વાર્કો દ્વારા સંપૂર્ણપણે ઉલટાવી શકાય તેવું જોવા મળ્યું છે. ઓક્સીડેન્ટ સ્ત્રોત તરીકે હવાનો ઉપયોગ કરીને ઓછી કિંમતની CO2 પ્રણાલીઓ વિકસાવવામાં આવી છે. આલ્કલાઇન આયન વિનિમય પટલ બળતણ કોષમાં, જલીય KOH ને નક્કર પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પટલ સાથે બદલવામાં આવે છે, જે હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનોનું સંચાલન કરી શકે છે. આ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ લિકેજ અને કાર્બોનેટ વરસાદની સમસ્યાઓને દૂર કરી શકે છે, જો કે હજુ પણ આલ્કલાઇન વાતાવરણમાં ઇંધણ કોષના સંચાલનના લાભોનો લાભ લઈ શકે છે. એ. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. માં, CO2 પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને H2CO3 બનાવે છે, જે આગળ HCO3− અને CO32− સાથે અલગ પડે છે. CO32 −/HCO3 − ની સંતુલન સાંદ્રતા 0.07% કરતા ઓછી છે અને કેટાયન (K +, Na +) ની ગેરહાજરીમાં ઇલેક્ટ્રોડ પર કોઈ વરસાદ પડતો નથી. જો કે, કેટાયનની ગેરહાજરી હાંસલ કરવી મુશ્કેલ છે, કારણ કે મોટાભાગના પટલ તેમના પ્રારંભિક, રાસાયણિક રીતે સ્થિર હેલોજન સ્વરૂપમાંથી કાર્યાત્મક હાઇડ્રોક્સાઇડ અથવા બાયકાર્બોનેટ સ્વરૂપો માટે શરતી હોય છે, અને સક્રિય સ્થળો પર સ્પર્ધાત્મક રીતે શોષણ કરીને અને હેલ્મહોલ્ટ્ઝ-સ્તર અસરો ચલાવીને બળતણ કોષની કામગીરીને નોંધપાત્ર રીતે અસર કરી શકે છે. તેની સરખામણીમાં, આલ્કલાઇન ઇંધણ કોષ સામે, આલ્કલી આયન વિનિમય પટલ ઇંધણ કોષો પણ ઘન કાર્બોનેટ વરસાદથી ઇલેક્ટ્રોડનું રક્ષણ કરે છે, જે સ્ટાર્ટ-અપ દરમિયાન ઇંધણ (ઓક્સિજન/હાઇડ્રોજન) પરિવહન સમસ્યાનું કારણ બની શકે છે. મોટા ભાગના પટલ/આયનોમર કે જે વિકસાવવામાં આવ્યા છે તે સંપૂર્ણપણે હાઇડ્રોકાર્બન છે, જે વધુ સરળ ઉત્પ્રેરક રિસાયક્લિંગ અને ઓછા બળતણ ક્રોસઓવર માટે પરવાનગી આપે છે. મિથેનોલને સરળ સંગ્રહ અને પરિવહનનો ફાયદો છે અને તે હાઇડ્રોજનની સરખામણીમાં વધુ વોલ્યુમેટ્રિક ઊર્જા ઘનતા ધરાવે છે. ઉપરાંત, કેથોડથી એનોડ સુધી પટલમાં આયન પરિવહનની વિરુદ્ધ દિશાને કારણે, પી. ઈ. એમ. એફ. સી. ની સરખામણીમાં એનોડથી કેથોડમાં મિથેનોલ ક્રોસઓવર એ. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. માં ઘટે છે. વધુમાં, એ. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. માં ઇથેનોલ અને પ્રોપેનોલ જેવા ઉચ્ચ આલ્કોહોલનો ઉપયોગ શક્ય છે, કારણ કે એ. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. માં એનોડ પોટેન્શિયલ આલ્કોહોલમાં હાજર સી-સી બોન્ડ્સને ઓક્સિડાઇઝ કરવા માટે પૂરતું છે. પડકારો એ. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. વિકસાવવામાં સૌથી મોટો પડકાર એ આયન વિનિમય પટલ (એ. ઈ. એમ.) છે. એક લાક્ષણિક એ. ઈ. એમ. મુક્ત ઓ. એચ.-આયનોની હિલચાલને સરળ બનાવવા માટે બંધાયેલ કેટાયનિક આયન-વિનિમય જૂથો સાથે પોલિમર બેકબોનથી બનેલું હોય છે. આ પી. ઇ. એમ. એફ. સી. માટે ઉપયોગમાં લેવાતા નેફિઓનનું વ્યસ્ત છે, જ્યાં એનાયન પોલિમર સાથે સહસંયોજક રીતે જોડાયેલ હોય છે અને પ્રોટોન એક જગ્યાએથી બીજી જગ્યાએ કૂદી જાય છે. પડકાર એ છે કે ઊંચા pH અને તાપમાન પર રાસાયણિક બગાડ વિના ઉચ્ચ OH-આયન વાહકતા અને યાંત્રિક સ્થિરતા સાથે AEM બનાવવું. અધઃપતનની મુખ્ય પદ્ધતિઓ હોફમેન નાબૂદી છે જ્યારે β-હાઇડ્રોજન હાજર હોય અને કેશનિક સાઇટ પર OH-આયન દ્વારા સીધો ન્યુક્લિયોફિલિક હુમલો થાય છે. હોફમેન નાબૂદી તરફ રાસાયણિક સ્થિરતામાં સુધારો કરવા માટેનો એક અભિગમ એ છે કે કેશનિક સાઇટ પર તમામ β-હાઇડ્રોજનને દૂર કરવું. આ તમામ અધોગતિ પ્રતિક્રિયાઓ પોલિમર બેકબોન રસાયણશાસ્ત્ર અને એ. ઈ. એમ. વિકસાવવા માટે સમાવિષ્ટ કરી શકાય તેવા કેટાયનને મર્યાદિત કરે છે. બીજો પડકાર PEMFCમાં જોવા મળતી H + વાહકતા સાથે તુલનાત્મક OH-આયન વાહકતા હાંસલ કરવાનો છે. OH− આયનોનો પ્રસરણ ગુણાંક H + (જથ્થાબંધ પાણીમાં) કરતા અડધો હોવાથી, સમાન પરિણામો પ્રાપ્ત કરવા માટે OH− આયનની વધુ સાંદ્રતાની જરૂર પડે છે, જેને બદલામાં પોલિમરની વધુ આયન વિનિમય ક્ષમતાની જરૂર પડે છે. જો કે, ઉચ્ચ આયન વિનિમય ક્ષમતા હાઇડ્રેશન પર પોલિમરની અતિશય સોજો તરફ દોરી જાય છે અને યાંત્રિક ગુણધર્મોની સહવર્તી ખોટ તરફ દોરી જાય છે. એ. ઈ. એમ. એફ. સી. માં પાણીનું વ્યવસ્થાપન પણ એક પડકાર સાબિત થયું છે. તાજેતરના સંશોધનોએ દર્શાવ્યું છે કે ફીડ વાયુઓના ભેજનું કાળજીપૂર્વક સંતુલન બળતણ કોષની કામગીરીમાં નોંધપાત્ર સુધારો કરે છે. પ્રોટોન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન આલ્કલાઇન ઇંધણ કોષ સંદર્ભો પણ જુઓ.