Alkaline anion exchange membrane fuel cell
एक क्षारीय आयन विनिमय झिल्ली ईंधन कोशिका (ए. ए. ई. एम. एफ. सी.), जिसे आयन विनिमय झिल्ली ईंधन कोशिका (ए. ई. एम. एफ. सी.), क्षारीय झिल्ली ईंधन कोशिका (ए. एम. एफ. सी.), हाइड्रॉक्साइड विनिमय झिल्ली ईंधन कोशिका (एच. ई. एम. एफ. सी.), या ठोस क्षारीय ईंधन कोशिका (एस. ए. एफ. सी.) के रूप में भी जाना जाता है, एक प्रकार की क्षारीय ईंधन कोशिका है जो एनोड और कैथोड डिब्बों को अलग करने के लिए एक आयन विनिमय झिल्ली का उपयोग करती है। क्षारीय ईंधन कोशिकाएं (ए. एफ. सी.) इलेक्ट्रोड के बीच क्षारीय आयनों, आमतौर पर हाइड्रॉक्साइड के परिवहन पर आधारित होती हैं। मूल ए. एफ. सी. ने इलेक्ट्रोलाइट के रूप में जलीय पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड (के. ओ. एच.) का उपयोग किया। ए. ए. ई. एम. एफ. सी. इसके बजाय एक बहुलक झिल्ली का उपयोग करते हैं जो हाइड्रॉक्साइड आयनों का परिवहन करती है। एक ए. ए. ई. एम. एफ. सी. में, ईंधन, हाइड्रोजन या मेथनॉल की आपूर्ति एनोड पर और ऑक्सीजन की आपूर्ति हवा के माध्यम से की जाती है, और पानी की आपूर्ति कैथोड पर की जाती है। एनोड पर ईंधन का ऑक्सीकरण होता है और कैथोड पर ऑक्सीजन कम हो जाती है। कैथोड में, ऑक्सीजन की कमी से हाइड्रॉक्साइड आयन (OH−) उत्पन्न होते हैं जो इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड की ओर जाते हैं। एनोड में, हाइड्रॉक्साइड आयन ईंधन के साथ प्रतिक्रिया करके पानी और इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करते हैं। विद्युत धारा उत्पन्न करने वाले परिपथ से इलेक्ट्रॉन गुजरते हैं। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाएँ जब हाइड्रोजन एनोड में ईंधन होता हैः H2 + 2OH − → 2H2O + 2e-कैथोड मेंः O2 + 2H2O + 4e − → 4OH-इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाएँ जब मेथनॉल ईंधन होता है एनोड मेंः CH3OH + 6OH − → CO2 + 5H2O + 6e-कैथोड मेंः 3/2O2 + 3H2O + 6e − → 6OH-यांत्रिक गुणों को मापना आयन विनिमय झिल्ली के यांत्रिक गुण विद्युत रासायनिक ऊर्जा प्रौद्योगिकियों जैसे कि ईंधन कोशिकाओं में बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली में उपयोग के लिए प्रासंगिक हैं। पॉलिमर के यांत्रिक गुणों में लोचदार मापांक, तन्य शक्ति और लचीलापन शामिल हैं। इन गुणों को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक तन्य तनाव-तनाव परीक्षण प्रयोगात्मक प्रक्रिया के प्रति बहुत संवेदनशील हैं क्योंकि पॉलिमर के यांत्रिक गुण पर्यावरण की प्रकृति जैसे कि पानी, कार्बनिक सॉल्वैंट्स, ऑक्सीजन और तापमान की उपस्थिति पर बहुत अधिक निर्भर हैं। तापमान में वृद्धि के परिणामस्वरूप आम तौर पर लोचदार मापांक में कमी, तन्य शक्ति में कमी और लचीलापन में वृद्धि होती है, यह मानते हुए कि सूक्ष्म संरचना में कोई संशोधन नहीं है। कांच संक्रमण तापमान के पास, यांत्रिक गुणों में बहुत महत्वपूर्ण परिवर्तन देखे जाते हैं। गतिशील यांत्रिक विश्लेषण (डी. एम. ए.) तापमान के कार्यों के रूप में भंडारण मापांक और हानि मापांक सहित पॉलिमर के यांत्रिक गुणों को मापने के लिए एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली पूरक, लक्षण वर्णन तकनीक है। यांत्रिक गुणों को बढ़ाने की विधियाँ आयन विनिमय झिल्ली (ए. ई. एम.) के लिए उपयोग किए जाने वाले पॉलिमर के यांत्रिक गुणों को बढ़ाने की एक विधि पारंपरिक त्रिभुज एमाइन और आयन विनिमय समूहों को ग्राफ्ट किए गए चतुर्थक समूहों के साथ प्रतिस्थापित करना है। इन आयनोमर्स के परिणामस्वरूप बड़े भंडारण और यंग के मॉड्यूली, एक उच्च तन्यता शक्ति और उच्च लचीलापन होता है। हाइड्रॉक्साइड से हाइड्रोजन कार्बोनेट, कार्बोनेट और क्लोराइड आयनों में काउंटरियन का आदान-प्रदान झिल्ली की ताकत और लोचदार मापांक को और बढ़ाता है। नारदुची और उनके सहयोगियों ने निष्कर्ष निकाला कि आयन के प्रकार से संबंधित जल ग्रहण, यांत्रिक गुणों के लिए बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। झांग और उनके सहयोगियों ने सी1, सी3, सी4-प्रतिस्थापित इमिडाज़ोल के चतुर्थक के माध्यम से रासायनिक रूप से स्थिर इमिडाज़ोलियम कैटायन के साथ मजबूत और क्रॉस-लिंक्ड पॉली (2,6-डाइमिथाइल-1,4-फेनिलीन ऑक्साइड) (पी. पी. ओ.) ए. ई. एम. की एक श्रृंखला तैयार की और उन्हें "थियोल-एन" रसायन विज्ञान के माध्यम से क्रॉस-लिंकिंग किया। इन क्रॉस-लिंक्ड ए. ई. एम. ने उत्कृष्ट फिल्म बनाने के गुण दिखाए और बहुलक श्रृंखलाओं में बढ़ी हुई उलझाव अंतःक्रियाओं के कारण उच्च तन्यता शक्ति का प्रदर्शन किया, जिसने बदले में पानी की खपत को बढ़ाया। जल ग्रहण और यांत्रिक गुणों के बीच यह मजबूत संबंध नारदुची और उनके सहयोगियों के निष्कर्षों को दर्शाता है। झांग एट अल के निष्कर्ष। यह सुझाव दिया जाता है कि स्थिर स्टेरिकली-संरक्षित कार्बनिक कैटायन के साथ आयनन प्रवाहकीय सामग्री का परस्पर संयोजन क्षारीय ईंधन कोशिकाओं में उपयोग के लिए मजबूत ए. ई. एम. का उत्पादन करने की एक प्रभावी रणनीति है। पारंपरिक क्षारीय ईंधन सेल के साथ तुलना 1960 के दशक में अपोलो और अंतरिक्ष शटल कार्यक्रम के लिए नासा द्वारा उपयोग की जाने वाली क्षारीय ईंधन सेल ने इलेक्ट्रोलाइट के रूप में के. ओ. एच. के जलीय घोल का उपयोग करके लगभग 70 प्रतिशत दक्षता से बिजली उत्पन्न की। उस स्थिति में, CO2 ऑक्सीडेंट वायु प्रवाह के माध्यम से आता है और मेथनॉल के ऑक्सीकरण से उत्पाद के रूप में उत्पन्न होता है, यदि मेथनॉल ईंधन है, तो इलेक्ट्रोलाइट KOH के साथ प्रतिक्रिया करके CO32−/HCO3− बनाता है। दुर्भाग्य से इसके परिणामस्वरूप, के2सीओ3 या केएचसीओ3 इलेक्ट्रोड पर अवक्षेपित होता है। हालांकि, इस प्रभाव को इलेक्ट्रोड से कैशनिक काउंटरियन को हटाने से कम किया गया है, और कार्बोनेट गठन को कई औद्योगिक और शैक्षणिक समूहों, विशेष रूप से वार्को द्वारा पूरी तरह से प्रतिवर्ती पाया गया है। ऑक्सीडेंट स्रोत के रूप में हवा का उपयोग करके कम लागत वाली CO2 प्रणालियाँ विकसित की गई हैं। क्षारीय आयन विनिमय झिल्ली ईंधन कोशिका में, जलीय KOH को एक ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली से बदल दिया जाता है, जो हाइड्रॉक्साइड आयनों का संचालन कर सकती है। यह इलेक्ट्रोलाइट रिसाव और कार्बोनेट वर्षा की समस्याओं को दूर कर सकता है, हालांकि अभी भी एक क्षारीय वातावरण में ईंधन सेल के संचालन के लाभों का लाभ उठा रहा है। ए. ए. ई. एम. एफ. सी. में, सी. ओ. 2 पानी के साथ प्रतिक्रिया करके एच. 2. सी. ओ. 3 बनाता है, जो आगे एच. सी. ओ. 3-और सी. ओ. 32-से अलग हो जाता है। CO32−/HCO3− की संतुलन सांद्रता 0.07% से कम है और धनायनों (K +, Na +) के अभाव में इलेक्ट्रोड पर कोई वर्षा नहीं होती है। हालांकि, धमनियों की अनुपस्थिति को प्राप्त करना मुश्किल है, क्योंकि अधिकांश झिल्ली अपने प्रारंभिक, रासायनिक रूप से स्थिर हैलोजन रूप से कार्यात्मक हाइड्रॉक्साइड या बाइकार्बोनेट रूपों के लिए वातानुकूलित होती हैं, और सक्रिय स्थलों पर प्रतिस्पर्धी रूप से अवशोषित होने और हेल्महोल्ट्ज़-परत प्रभाव डालने दोनों द्वारा ईंधन कोशिका प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती हैं। इसकी तुलना में, क्षारीय ईंधन सेल के खिलाफ, क्षारीय आयन विनिमय झिल्ली ईंधन सेल भी इलेक्ट्रोड को ठोस कार्बोनेट वर्षा से बचाते हैं, जो स्टार्ट-अप के दौरान ईंधन (ऑक्सीजन/हाइड्रोजन) परिवहन समस्या का कारण बन सकता है। विकसित किए गए झिल्ली/आयनोमर का बड़ा हिस्सा पूरी तरह से हाइड्रोकार्बन है, जो बहुत आसान उत्प्रेरक पुनर्चक्रण और कम ईंधन पार करने की अनुमति देता है। मेथनॉल में आसान भंडारण और परिवहन का लाभ है और हाइड्रोजन की तुलना में इसका आयतन ऊर्जा घनत्व अधिक है। इसके अलावा, कैथोड से एनोड तक झिल्ली में आयन परिवहन की विपरीत दिशा के कारण, पी. ई. एम. एफ. सी. की तुलना में एनोड से कैथोड तक मेथनॉल क्रॉसओवर ए. ए. ई. एम. एफ. सी. में कम हो जाता है। इसके अलावा, ए. ए. ई. एम. एफ. सी. में इथेनॉल और प्रोपेनॉल जैसे उच्च अल्कोहल का उपयोग संभव है, क्योंकि ए. ए. ई. एम. एफ. सी. में एनोड क्षमता अल्कोहल में मौजूद सी-सी बॉन्ड को ऑक्सीकृत करने के लिए पर्याप्त है। चुनौती ए. ए. ई. एम. एफ. सी. के विकास में सबसे बड़ी चुनौती आयन विनिमय झिल्ली (ए. ई. एम.) है। एक विशिष्ट ए. ई. एम. मुक्त ओ. एच.-आयनों की गति को सुविधाजनक बनाने के लिए बंधे हुए कैटैनिक आयन-विनिमय समूहों के साथ एक बहुलक रीढ़ से बना होता है। यह पी. ई. एम. एफ. सी. के लिए उपयोग किए जाने वाले नाफियोन का व्युत्क्रम है, जहां एक आयन सहसंयोजक रूप से बहुलक से जुड़ा होता है और प्रोटॉन एक स्थान से दूसरे स्थान पर कूदते हैं। चुनौती उच्च ओ. एच.-आयन चालकता और यांत्रिक स्थिरता के साथ ए. ई. एम. का निर्माण करना है, जो उच्च पी. एच. और तापमान पर रासायनिक गिरावट के बिना है। क्षरण के मुख्य तंत्र हॉफमैन उन्मूलन हैं जब β-हाइड्रोजेन मौजूद होते हैं और कैशनिक साइट पर OH-आयन द्वारा सीधा न्यूक्लियोफिलिक हमला होता है। हॉफमैन उन्मूलन की दिशा में रासायनिक स्थिरता में सुधार करने की दिशा में एक दृष्टिकोण कैशनिक साइट पर सभी β-हाइड्रोजन को निकालना है। ये सभी क्षरण प्रतिक्रियाएँ बहुलक रीढ़ की हड्डी के रसायनों और ए. ई. एम. के विकास के लिए शामिल किए जा सकने वाले धनायों को सीमित करती हैं। एक अन्य चुनौती पी. ई. एम. एफ. सी. में देखी गई एच + चालकता की तुलना में ओ. एच.-आयन चालकता प्राप्त करना है। चूँकि OH-आयनों का प्रसार गुणांक H + (थोक जल में) का आधा है, इसलिए समान परिणाम प्राप्त करने के लिए OH-आयनों की उच्च सांद्रता की आवश्यकता होती है, जिसके लिए पॉलिमर की उच्च आयन विनिमय क्षमता की आवश्यकता होती है। हालांकि, उच्च आयन विनिमय क्षमता जलयोजन पर बहुलक की अत्यधिक सूजन और यांत्रिक गुणों के सहवर्ती नुकसान की ओर ले जाती है। ए. ई. एम. एफ. सी. में जल प्रबंधन भी एक चुनौती साबित हुआ है। हाल के शोध से पता चला है कि फ़ीड गैसों की आर्द्रता के सावधानीपूर्वक संतुलन से ईंधन कोशिका के प्रदर्शन में काफी सुधार होता है। प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली क्षारीय ईंधन सेल संदर्भ ईंधन सेल भी देखें।