Alkaline anion exchange membrane fuel cell
ஒரு அல்கலைன் அயனி பரிமாற்ற சவ்வு எரிபொருள் செல் (ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி), இது அயனி-பரிமாற்ற சவ்வு எரிபொருள் செல்கள் (ஏ. இ. எம். எஃப். சி), அல்கலைன் சவ்வு எரிபொருள் செல்கள் (ஏ. எம். எஃப். சி), ஹைட்ராக்சைடு பரிமாற்ற சவ்வு எரிபொருள் செல்கள் (எச். இ. எம். எஃப். சி) அல்லது திட அல்கலைன் எரிபொருள் செல்கள் (எஸ். ஏ. எஃப். சி) என்றும் அழைக்கப்படுகிறது, இது ஒரு வகை அல்கலைன் எரிபொருள் செல் ஆகும், இது அனோட் மற்றும் கேத்தோடு பெட்டிகளைப் பிரிக்க ஒரு அயனி பரிமாற்ற சவ்வைப் பயன்படுத்துகிறது. கார எரிபொருள் செல்கள் (ஏஎஃப்சி) மின்னாற்றல்களுக்கு இடையில் கார எதிர்மின் அயனிகளின், பொதுவாக ஹைட்ராக்சைடு, போக்குவரத்தை அடிப்படையாகக் கொண்டவை. அசல் ஏஎஃப்சிகள் நீரிய பொட்டாசியம் ஹைட்ராக்சைடை (KOH) ஒரு எலக்ட்ரோலைட்டாக பயன்படுத்தின. ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. க்கள் அதற்கு பதிலாக ஹைட்ராக்சைடு எதிர்மின் அயனிகளை கொண்டு செல்லும் பாலிமர் சவ்வைப் பயன்படுத்துகின்றன. ஒரு ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. யில், எரிபொருள், ஹைட்ரஜன் அல்லது மெத்தனால், அனோடில் மற்றும் ஆக்ஸிஜன் காற்று வழியாக வழங்கப்படுகிறது, மேலும் நீர் கேத்தோடில் வழங்கப்படுகிறது. அனோடில் எரிபொருள் ஆக்சிஜனேற்றப்படுகிறது மற்றும் கேத்தோடில் ஆக்ஸிஜன் குறைக்கப்படுகிறது. கேத்தோடில், ஆக்ஸிஜன் குறைப்பு ஹைட்ராக்சைடுகள் அயனிகளை (OH−) உருவாக்குகிறது, அவை எலக்ட்ரோலைட் வழியாக அனோடை நோக்கி நகர்கின்றன. அனோடில், ஹைட்ராக்சைடு அயனிகள் எரிபொருளுடன் வினைபுரிந்து நீர் மற்றும் எலக்ட்ரான்களை உற்பத்தி செய்கின்றன. மின்னோட்டத்தை உற்பத்தி செய்யும் சுற்று வழியாக எலக்ட்ரான்கள் செல்கின்றன. அனோடில் ஹைட்ரஜன் எரிபொருளாக இருக்கும்போது மின் வேதியியல் எதிர்வினைகள்ஃ H2 + 2OH − → 2H2O + 2e − கேத்தோடில்ஃ மெத்தனால் எரிபொருளாக இருக்கும்போது O2 + 2H2O + 4e − → 4OH − மின் வேதியியல் எதிர்வினைகள் அனோடில்ஃ CH3OH + 6OH − → CO2 + 5H2O + 6e-கேத்தோடில்ஃ 3/2O2 + 3H2O + 6e − → 6OH-இயந்திர பண்புகளை அளவிடுதல் இயந்திர பண்புகள் எதிர்மின் அயனி பரிமாற்ற சவ்வுகளின் இயந்திர பண்புகள் எரிபொருள் செல்களில் உள்ள பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட் சவ்வுகள் போன்ற மின் வேதியியல் ஆற்றல் தொழில்நுட்பங்களில் பயன்படுத்த பொருத்தமானவை. பாலிமர்களின் இயந்திர பண்புகளில் நெகிழ்வான மாடுலஸ், இழுவிசை வலிமை மற்றும் நீர்த்தன்மை ஆகியவை அடங்கும். இந்த பண்புகளை அளவிட பயன்படுத்தப்படும் பாரம்பரிய இழுவிசை அழுத்த சோதனை சோதனை செயல்முறைக்கு மிகவும் உணர்திறன் கொண்டது, ஏனெனில் பாலிமர்களின் இயந்திர பண்புகள் நீர், கரிம கரைப்பான்கள், ஆக்ஸிஜன் மற்றும் வெப்பநிலை போன்ற சூழலின் தன்மையை பெரிதும் சார்ந்துள்ளன. வெப்பநிலையை அதிகரிப்பதால் பொதுவாக நெகிழ்வான மாடுலஸ் குறைகிறது, இழுவிசை வலிமை குறைகிறது மற்றும் நீர்த்தன்மை அதிகரிக்கிறது, மைக்ரோஸ்ட்ரக்சரில் எந்த மாற்றமும் இல்லை என்று வைத்துக்கொள்வோம். கண்ணாடி மாற்ற வெப்பநிலைக்கு அருகில், இயந்திர பண்புகளில் மிகவும் குறிப்பிடத்தக்க மாற்றங்கள் காணப்படுகின்றன. டைனமிக் மெக்கானிக்கல் அனாலிசிஸ் (டி. எம். ஏ) என்பது வெப்பநிலையின் செயல்பாடுகளாக சேமிப்பு மாடுலஸ் மற்றும் இழப்பு மாடுலஸ் உள்ளிட்ட பாலிமர்களின் இயந்திர பண்புகளை அளவிடுவதற்கு பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் பாராட்டு, குணாதிசய நுட்பமாகும். இயந்திர பண்புகளை அதிகரிக்கும் முறைகள் எதிர்மின் அயனி பரிமாற்ற சவ்வுகளுக்கு (ஏ. இ. எம்) பயன்படுத்தப்படும் பாலிமர்களின் இயந்திர பண்புகளை அதிகரிப்பதற்கான ஒரு முறை, வழக்கமான முப்பரிமாண அமைன் மற்றும் எதிர்மின் அயனி பரிமாற்றக் குழுக்களை ஒட்டப்பட்ட நான்காம் நிலை குழுக்களுடன் மாற்றுவதாகும். இந்த அயனிமங்கள் பெரிய சேமிப்பு மற்றும் யங் மாடுலி, அதிக இழுவிசை வலிமை மற்றும் அதிக நீர்த்தன்மை ஆகியவற்றை விளைவிக்கின்றன. ஹைட்ராக்சைடில் இருந்து ஹைட்ரஜன் கார்பனேட், கார்பனேட் மற்றும் குளோரைடு அயனிகளுக்கு எதிர் மாற்றுவது சவ்வுகளின் வலிமை மற்றும் நெகிழ்வான மாடுலஸை மேலும் மேம்படுத்துகிறது. அனயான் வகையுடன் தொடர்புடைய நீர் உறிஞ்சுதல், இயந்திர பண்புகளுக்கு மிக முக்கியமான பங்கு வகிக்கிறது என்று நார்துச்சியும் சகாக்களும் முடிவு செய்தனர். ஜாங் மற்றும் அவரது சகாக்கள் C1, C3, C4-மாற்றப்பட்ட இமிடாசோலின் குவாட்டர்னைசேஷன் மூலம் வேதியியல் ரீதியாக நிலையான இமிடாசோலியம் நேர்மின் அயனிகளுடன் வலுவான மற்றும் குறுக்கு இணைக்கப்பட்ட பாலி (2,6-டைமெத்தில்-1,4-ஃபெனைலீன் ஆக்சைடு) களின் (PPO) AEMகளைத் தயாரித்தனர். இந்த குறுக்கு இணைக்கப்பட்ட ஏ. இ. எம். க்கள் சிறந்த படலம் உருவாக்கும் பண்புகளைக் காட்டின, மேலும் பாலிமர் சங்கிலிகளில் அதிகரித்த சிக்கல் தொடர்புகள் காரணமாக அதிக இழுவிசை வலிமையை வெளிப்படுத்தின, இது தண்ணீரை எடுத்துக்கொள்வதை அதிகரித்தது. நீர் உறிஞ்சுதல் மற்றும் இயந்திர பண்புகளுக்கு இடையிலான இந்த வலுவான உறவு நார்துச்சி மற்றும் சக ஊழியர்களின் கண்டுபிடிப்புகளை பிரதிபலிக்கிறது. ஜாங் மற்றும் பிறரின் கண்டுபிடிப்புகள். நிலையான ஸ்டெரிகல்-பாதுகாக்கப்பட்ட கரிம நேர்மின் அயனிகளுடன் எதிர்மின் அயனி கடத்தும் பொருட்களை குறுக்கு இணைப்பது கார எரிபொருள் செல்களில் பயன்படுத்த வலுவான ஏ. இ. எம். களை உற்பத்தி செய்வதற்கான ஒரு பயனுள்ள உத்தி என்று பரிந்துரைக்கிறது. பாரம்பரிய கார எரிபொருள் கலத்துடன் ஒப்பீடு 1960 களில் அப்பல்லோ மற்றும் விண்வெளி விண்கலம் திட்டத்திற்காக நாசாவால் பயன்படுத்தப்பட்ட கார எரிபொருள் கலம் KOH இன் நீர் கரைசலை எலக்ட்ரோலைட்டாக பயன்படுத்தி கிட்டத்தட்ட 70 சதவீதம் செயல்திறனில் மின்சாரத்தை உருவாக்கியது. அந்த சூழ்நிலையில், கார்பன் டை ஆக்சைடு ஆக்சிஜனேற்ற காற்று ஓட்டம் வழியாக வந்து மெத்தனால் ஆக்சிஜனேற்றத்திலிருந்து விளைபொருளாக உருவாக்கப்படுகிறது, மெத்தனால் எரிபொருளாக இருந்தால், எலக்ட்ரோலைட் KOH உடன் வினைபுரிந்து CO32−/HCO3− ஐ உருவாக்குகிறது. துரதிர்ஷ்டவசமாக இதன் விளைவாக, K2CO3 அல்லது KHCO3 மின்முனைகள் மீது வீழ்கிறது. இருப்பினும், மின்முனையிலிருந்து கேடயானிக் எதிர்ப்புக்களை அகற்றுவதன் மூலம் இந்த விளைவு குறைக்கப்படுவதாகக் கண்டறியப்பட்டுள்ளது, மேலும் கார்பனேட் உருவாக்கம் பல தொழில்துறை மற்றும் கல்விக் குழுக்களால், குறிப்பாக வார்கோ மூலம் முற்றிலும் மாற்றியமைக்கப்படுவதாகக் கண்டறியப்பட்டுள்ளது. காற்றை ஆக்சிஜனேற்ற மூலமாகப் பயன்படுத்தி குறைந்த செலவில் கார்பன் டை ஆக்சைடு அமைப்புகள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. அல்கலைன் அயனி பரிமாற்ற சவ்வு எரிபொருள் கலத்தில், நீரிய KOH ஒரு திட பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட் சவ்வால் மாற்றப்படுகிறது, இது ஹைட்ராக்சைடு அயனிகளை நடத்த முடியும். இது எலக்ட்ரோலைட் கசிவு மற்றும் கார்பனேட் மழைப்பொழிவு போன்ற சிக்கல்களை சமாளிக்க முடியும், இருப்பினும் ஒரு கார சூழலில் ஒரு எரிபொருள் கலத்தை இயக்கும் நன்மைகளைப் பயன்படுத்திக் கொள்ளலாம். ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. களில், CO2 தண்ணீருடன் வினைபுரிந்து H2CO3 ஐ உருவாக்குகிறது, இது மேலும் HCO3− மற்றும் CO32− உடன் பிரிகிறது. CO32−/HCO3− இன் சமநிலை செறிவு 0.07% ஐ விட குறைவாக உள்ளது மற்றும் நேர்மின் அயனிகள் (K +, Na +) இல்லாத நிலையில் மின்முனைகளில் மழைப்பொழிவு இல்லை. இருப்பினும், நேர்மின் அயனிகளின் பற்றாக்குறையை அடைவது கடினம், ஏனெனில் பெரும்பாலான சவ்வுகள் அவற்றின் ஆரம்ப, வேதியியல் ரீதியாக நிலையான ஆலசன் வடிவத்திலிருந்து செயல்பாட்டு ஹைட்ராக்சைடு அல்லது பைகார்பனேட் வடிவங்களுக்கு நிபந்தனை விதிக்கப்படுகின்றன, மேலும் செயலில் உள்ள தளங்களுக்கு போட்டித்தன்மையுடன் உறிஞ்சுவதன் மூலமும், ஹெல்ம்ஹோல்ட்ஸ் அடுக்கு விளைவுகளை ஏற்படுத்துவதன் மூலமும் எரிபொருள் செல் செயல்திறனை கணிசமாக பாதிக்கலாம். ஒப்பிடுகையில், கார எரிபொருள் கலத்திற்கு எதிராக, கார எதிர்மின் அயனி பரிமாற்ற சவ்வு எரிபொருள் கலங்கள் திடமான கார்பனேட் மழைப்பொழிவிலிருந்து மின்முனையை பாதுகாக்கின்றன, இது தொடக்கத்தின் போது எரிபொருள் (ஆக்ஸிஜன்/ஹைட்ரஜன்) போக்குவரத்து சிக்கலை ஏற்படுத்தும். உருவாக்கப்பட்டுள்ள சவ்வுகள்/அயனிகளில் பெரும்பாலானவை முழுமையாக ஹைட்ரோகார்பன் ஆகும், இது மிகவும் எளிதான வினையூக்கி மறுசுழற்சி மற்றும் குறைந்த எரிபொருள் குறுக்குவெட்டை அனுமதிக்கிறது. மெத்தனால் எளிதான சேமிப்பு மற்றும் போக்குவரத்தின் நன்மையைக் கொண்டுள்ளது மற்றும் ஹைட்ரஜனுடன் ஒப்பிடும்போது அதிக அளவீட்டு ஆற்றல் அடர்த்தியைக் கொண்டுள்ளது. மேலும், சவ்வில் உள்ள அயனி போக்குவரத்தின் எதிர் திசையில், கேத்தோடில் இருந்து அனோடுக்கு இருப்பதால், பி. இ. எம். எஃப். சி. களுடன் ஒப்பிடும்போது ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. களில் அனோடில் இருந்து கேத்தோடுக்கு மெத்தனால் குறுக்கீடு குறைகிறது. கூடுதலாக, ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. களில் எத்தனால் மற்றும் புரோபனால் போன்ற அதிக ஆல்கஹால்களைப் பயன்படுத்துவது சாத்தியமாகும், ஏனெனில் ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. களில் உள்ள அனோட் ஆற்றல் ஆல்கஹால்களில் உள்ள சி-சி பிணைப்புகளை ஆக்சிஜனேற்றுவதற்கு போதுமானது. சவால்கள் ஏ. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. க்களை உருவாக்குவதில் மிகப்பெரிய சவால் எதிர்மின் அயனி பரிமாற்ற சவ்வு (ஏ. இ. எம்) ஆகும். ஒரு பொதுவான ஏ. இ. எம் என்பது இலவச ஓ. எச்-அயனிகளின் இயக்கத்தை எளிதாக்குவதற்காக பிணைக்கப்பட்ட கேடயானிக் அயனி-பரிமாற்ற குழுக்களுடன் ஒரு பாலிமர் முதுகெலும்பைக் கொண்டுள்ளது. இது PEMFC களுக்கு பயன்படுத்தப்படும் நாஃபியோனின் தலைகீழ் ஆகும், அங்கு ஒரு எதிர்மின் அயனி பாலிமருடன் சகப்பிணைப்புடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளது மற்றும் புரோட்டான்கள் ஒரு இடத்திலிருந்து மற்றொரு இடத்திற்கு குதிக்கின்றன. உயர்ந்த pH மற்றும் வெப்பநிலையில் வேதியியல் சீரழிவு இல்லாமல் அதிக OH-அயனி கடத்துத்திறன் மற்றும் இயந்திர நிலைத்தன்மையுடன் AEM ஐ உருவாக்குவதே சவால். சீரழிவின் முக்கிய வழிமுறைகள் β-ஹைட்ரஜன்கள் இருக்கும்போது ஹோஃப்மேன் நீக்குதல் மற்றும் கேஷனிக் தளத்தில் OH-அயனி மூலம் நேரடி நியூக்ளியோஃபிலிக் தாக்குதல் ஆகும். ஹோஃப்மேன் நீக்குதலுக்கான இரசாயன நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதற்கான ஒரு அணுகுமுறை கேஷனிக் தளத்தில் உள்ள அனைத்து β-ஹைட்ரஜன்களையும் அகற்றுவதாகும். இந்த சீரழிவு எதிர்வினைகள் அனைத்தும் பாலிமர் முதுகெலும்பு வேதியியல் மற்றும் AEM ஐ உருவாக்குவதற்கு இணைக்கப்படக்கூடிய நேர்மின் அயனிகளை கட்டுப்படுத்துகின்றன. PEMFC களில் காணப்பட்ட H + கடத்துத்திறனுடன் ஒப்பிடக்கூடிய OH-அயன் கடத்துத்திறனை அடைவது மற்றொரு சவாலாகும். OH− அயனிகளின் பரவல் குணகம் H + ஐ விட (மொத்த நீரில்) பாதி என்பதால், ஒத்த முடிவுகளை அடைய OH− அயனிகளின் அதிக செறிவு தேவைப்படுகிறது, இதற்கு பாலிமரின் அதிக அயனி பரிமாற்ற திறன் தேவைப்படுகிறது. இருப்பினும், அதிக அயனி பரிமாற்ற திறன் நீர்ப்பாசனத்தில் பாலிமரின் அதிகப்படியான வீக்கம் மற்றும் இயந்திர பண்புகளின் இணையான இழப்புக்கு வழிவகுக்கிறது. ஏ. இ. எம். எஃப். சி. களில் நீர் மேலாண்மையும் ஒரு சவாலாக இருப்பது நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது. ஊட்ட வாயுக்களின் ஈரப்பதத்தை கவனமாக சமநிலைப்படுத்துவது எரிபொருள் செல் செயல்திறனை கணிசமாக மேம்படுத்துகிறது என்று சமீபத்திய ஆராய்ச்சி காட்டுகிறது. மேலும் காண்க புரோட்டான் எக்ஸ்சேஞ்ச் மெம்பரேன் அல்கலைன் எரிபொருள் செல் குறிப்புகள் எரிபொருள் செல்கள்