Alkaline anion exchange membrane fuel cell
ایک الکلین آئن ایکسچینج میمبرین فیول سیل (اے اے ای ایم ایف سی)، جسے اینین ایکسچینج میمبرین فیول سیل (اے ای ایم ایف سی)، الکلین میمبرین فیول سیل (اے ایم ایف سی)، ہائیڈرو آکسائیڈ ایکسچینج میمبرین فیول سیل (ایچ ای ایم ایف سی)، یا سالڈ الکلین فیول سیل (ایس اے ایف سی) بھی کہا جاتا ہے، ایک قسم کا الکلین فیول سیل ہے جو انوڈ اور کیتھوڈ کمپارٹمنٹس کو الگ کرنے کے لیے اینین ایکسچینج میمبرین کا استعمال کرتا ہے۔ الکلائن فیول سیل (اے ایف سی) الیکٹروڈ کے درمیان الکلائن آئنوں، عام طور پر ہائیڈرو آکسائیڈ کی نقل و حمل پر مبنی ہوتے ہیں۔ اصل اے ایف سیز نے آبی پوٹاشیم ہائیڈروکسائڈ (کے او ایچ) کو الیکٹرولائٹ کے طور پر استعمال کیا۔ اے اے ای ایم ایف سی اس کے بجائے ایک پولیمر جھلی کا استعمال کرتے ہیں جو ہائیڈرو آکسائیڈ آئنوں کو منتقل کرتی ہے۔ میکانزم اے اے ای ایم ایف سی میں، ایندھن، ہائیڈروجن یا میتھانول، انوڈ پر اور آکسیجن ہوا کے ذریعے فراہم کیا جاتا ہے، اور پانی کیتھوڈ پر فراہم کیا جاتا ہے۔ ایندھن انوڈ پر آکسائڈائز ہوتا ہے اور کیتھوڈ پر آکسیجن کم ہوتی ہے۔ کیتھوڈ پر، آکسیجن کی کمی سے ہائیڈرو آکسائیڈ آئن (OH−) پیدا ہوتے ہیں جو الیکٹرولائٹ کے ذریعے انوڈ کی طرف منتقل ہوتے ہیں۔ انوڈ پر، ہائیڈرو آکسائیڈ آئن ایندھن کے ساتھ تعامل کر کے پانی اور الیکٹران پیدا کرتے ہیں۔ الیکٹران موجودہ پیدا کرنے والے سرکٹ سے گزرتے ہیں۔ الیکٹرو کیمیکل رد عمل جب ہائیڈروجن ایندھن ہوتا ہے انوڈ پر: H2 + 2OH − → 2H2O + 2e − کیتھوڈ پر: O2 + 2H2O + 4e − → 4OH − الیکٹرو کیمیکل رد عمل جب میتھانول ایندھن ہوتا ہے انوڈ پر: CH3OH + 6OH − → CO2 + 5H2O + 6e-کیتھوڈ پر: 3/2O2 + 3H2O + 6e − → 6OH-مکینیکل خصوصیات پیمائش مکینیکل خصوصیات آئن ایکسچینج جھلی کی مکینیکل خصوصیات برقی کیمیکل توانائی ٹیکنالوجیز جیسے ایندھن کے خلیوں میں پولیمر الیکٹرولائٹ جھلی میں استعمال کے لیے متعلقہ ہیں۔ پولیمر کی مکینیکل خصوصیات میں لچکدار ماڈیولس، تناؤ کی طاقت اور لچک شامل ہیں۔ ان خصوصیات کی پیمائش کے لیے استعمال ہونے والا روایتی تناؤ-تناؤ ٹیسٹ تجرباتی طریقہ کار کے لیے بہت حساس ہے کیونکہ پولیمر کی مکینیکل خصوصیات ماحول کی نوعیت جیسے پانی، نامیاتی سالوینٹس، آکسیجن اور درجہ حرارت کی موجودگی پر بہت زیادہ منحصر ہوتی ہیں۔ درجہ حرارت میں اضافے کے نتیجے میں عام طور پر لچکدار ماڈیولس میں کمی، تناؤ کی طاقت میں کمی، اور لچک میں اضافہ ہوتا ہے، یہ فرض کرتے ہوئے کہ مائیکرو اسٹرکچر میں کوئی ترمیم نہیں ہے۔ شیشے کی منتقلی کے درجہ حرارت کے قریب، مکینیکل خصوصیات میں بہت اہم تبدیلیاں مشاہدہ کی جاتی ہیں۔ متحرک مکینیکل تجزیہ (ڈی ایم اے) پولیمر کی مکینیکل خصوصیات کی پیمائش کے لیے ایک وسیع پیمانے پر استعمال ہونے والی اعزازی، خصوصیت کی تکنیک ہے جس میں درجہ حرارت کے افعال کے طور پر اسٹوریج ماڈیولس اور لاس ماڈیولس شامل ہیں۔ مکینیکل خصوصیات کو بڑھانے کے طریقے اینین ایکسچینج میمبرینز (اے ای ایم) کے لیے استعمال ہونے والے پولیمر کی مکینیکل خصوصیات کو بڑھانے کا ایک طریقہ روایتی ٹرنیری امین اور اینین ایکسچینج گروپوں کو گرافٹڈ کواٹرنیری گروپوں کے ساتھ تبدیل کرنا ہے۔ ان آئنومرز کے نتیجے میں بڑے اسٹوریج اور ینگ ماڈیولی، ایک اعلی تناؤ کی طاقت، اور اعلی لچک پیدا ہوتی ہے۔ ہائڈروکسائڈ سے ہائیڈروجن کاربونیٹ، کاربونیٹ اور کلورائڈ آئنوں میں کاؤنٹرئن کا تبادلہ جھلی کی طاقت اور لچکدار ماڈیولس کو مزید بڑھاتا ہے۔ ناردوچی اور ان کے ساتھیوں نے یہ نتیجہ اخذ کیا کہ پانی کا جذب، جو کہ آئن کی قسم سے متعلق ہے، میکانی خصوصیات کے لیے بہت اہم کردار ادا کرتا ہے۔ ژانگ اور ان کے ساتھیوں نے سی 1، سی 3، سی 4 کے متبادل امیڈازول کی کواٹرنیزیشن کے ذریعے کیمیائی طور پر مستحکم امیڈازولیئم کیٹیشن کے ساتھ مضبوط اور کراس لنکڈ پولی (2,6-ڈائیمیتھائل-1,4-فینیلین آکسائیڈ) (پی پی او) اے ای ایم کا ایک سلسلہ تیار کیا اور انہیں "تھائول-این" کیمسٹری کے ذریعے کراس لنک کیا۔ ان کراس لنکڈ اے ای ایم نے فلم بنانے کی بہترین خصوصیات کا مظاہرہ کیا اور پولیمر زنجیروں میں جکڑے ہوئے تعاملات میں اضافے کی وجہ سے زیادہ تناؤ کی طاقت کا مظاہرہ کیا جس کے نتیجے میں پانی کی مقدار میں اضافہ ہوا۔ پانی کے جذب اور مکینیکل خصوصیات کے درمیان یہ مضبوط تعلق ناردوچی اور ساتھیوں کے نتائج کی عکاسی کرتا ہے۔ ژانگ اور دیگر کے نتائج۔ تجویز کرتے ہیں کہ مستحکم سٹیریکل طور پر محفوظ نامیاتی کیٹیشن کے ساتھ آئن کنڈکٹو مواد کا کراس لنکنگ الکلائن ایندھن کے خلیوں میں استعمال کے لیے مضبوط اے ای ایم تیار کرنے کی ایک موثر حکمت عملی ہے۔ روایتی الکلائن فیول سیل کے ساتھ موازنہ ناسا کے ذریعہ 1960 کی دہائی میں اپولو اور خلائی شٹل پروگرام کے لیے استعمال ہونے والے الکلائن فیول سیل نے الیکٹرولائٹ کے طور پر کے او ایچ کے آبی محلول کا استعمال کرتے ہوئے تقریبا 70 فیصد کارکردگی سے بجلی پیدا کی۔ اس صورت حال میں، آکسیڈینٹ ہوا کے بہاؤ کے ذریعے آنے والا CO2 اور میتھانول کے آکسیکرن سے پیدا ہونے والے پروڈکٹ کے طور پر پیدا ہوتا ہے، اگر میتھانول ایندھن ہے، تو الیکٹرولائٹ KOH کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتا ہے جس سے CO32−/HCO3− بنتا ہے۔ بدقسمتی سے اس کے نتیجے میں، کے 2 سی او 3 یا کے ایچ سی او 3 الیکٹروڈ پر پھسلتے ہیں۔ تاہم، اس اثر کو الیکٹروڈ سے کیٹیانک کاؤنٹریونز کو ہٹانے سے کم کیا گیا ہے، اور کاربونیٹ کی تشکیل کو کئی صنعتی اور تعلیمی گروہوں، خاص طور پر ورکو کے ذریعے مکمل طور پر بدلنے کے قابل پایا گیا ہے۔ کم لاگت والے کاربن ڈائی آکسائیڈ کے نظام کو ہوا کو آکسیڈینٹ ذریعہ کے طور پر استعمال کرتے ہوئے تیار کیا گیا ہے۔ الکلین آئن ایکسچینج میمبرین فیول سیل میں، آبی KOH کو ایک ٹھوس پولیمر الیکٹرولائٹ میمبرین سے تبدیل کیا جاتا ہے، جو ہائیڈرو آکسائیڈ آئنوں کو چلا سکتا ہے۔ یہ الیکٹرولائٹ کے رساو اور کاربونیٹ کی بارش کے مسائل پر قابو پا سکتا ہے، حالانکہ اب بھی الکلائن ماحول میں فیول سیل کو چلانے کے فوائد سے فائدہ اٹھا رہا ہے۔ اے اے ای ایم ایف سی میں، سی او 2 پانی کے ساتھ تعامل کر کے ایچ 2 سی او 3 بناتا ہے، جو مزید ایچ سی او 3− اور سی او 32− سے الگ ہو جاتا ہے۔ CO32−/HCO3− کا توازن ارتکاز 0.07% سے کم ہے اور کیٹیشن (K +، Na +) کی عدم موجودگی میں الیکٹروڈ پر بارش نہیں ہوتی ہے۔ تاہم، کیٹیشن کی عدم موجودگی کو حاصل کرنا مشکل ہے، کیونکہ زیادہ تر جھلیاں اپنی ابتدائی، کیمیائی طور پر مستحکم ہیلوجن شکل سے فعال ہائیڈرو آکسائیڈ یا بائی کاربونیٹ شکلوں کے لیے مشروط ہوتی ہیں، اور فعال مقامات پر مسابقتی طور پر جذب ہونے اور ہیلم ہولٹز پرت کے اثرات کا استعمال کرنے سے ایندھن کے خلیوں کی کارکردگی کو نمایاں طور پر متاثر کر سکتی ہیں۔ اس کے مقابلے میں، الکلائن فیول سیل کے خلاف، الکلی آئن ایکسچینج جھلی فیول سیل بھی الیکٹروڈ کو ٹھوس کاربونیٹ کی بارش سے بچاتے ہیں، جو اسٹارٹ اپ کے دوران ایندھن (آکسیجن/ہائیڈروجن) کی نقل و حمل کا مسئلہ پیدا کر سکتا ہے۔ جھلی/آئنومر کی بڑی اکثریت جو تیار کی گئی ہے وہ مکمل طور پر ہائیڈرو کاربن ہے، جو بہت آسان اتپریرک ری سائیکلنگ اور کم ایندھن کے کراس اوور کی اجازت دیتی ہے۔ میتھانول کو ذخیرہ کرنے اور نقل و حمل میں آسانی کا فائدہ ہے اور ہائیڈروجن کے مقابلے میں اس میں حجم کی توانائی کی کثافت زیادہ ہوتی ہے۔ نیز، اینوڈ سے کیتھوڈ تک میتھانول کراس اوور پی ای ایم ایف سی کے مقابلے اے اے ای ایم ایف سی میں کم ہوتا ہے، جھلی میں آئن ٹرانسپورٹ کی مخالف سمت کی وجہ سے، کیتھوڈ سے انوڈ تک۔ اس کے علاوہ، اے اے ای ایم ایف سی میں ایتھنول اور پروپینول جیسے اعلی الکحل کا استعمال ممکن ہے، کیونکہ اے اے ای ایم ایف سی میں انوڈ پوٹینشل الکحل میں موجود سی-سی بانڈز کو آکسائڈائز کرنے کے لیے کافی ہے۔ چیلنجز اے اے ای ایم ایف سی کی ترقی میں سب سے بڑا چیلنج اینین ایکسچینج میمبرین (اے ای ایم) ہے۔ ایک عام اے ای ایم ایک پولیمر ریڑھ کی ہڈی پر مشتمل ہوتا ہے جس میں ٹیچرڈ کیٹیانک آئن ایکسچینج گروپ ہوتے ہیں تاکہ آزاد او ایچ-آئنوں کی نقل و حرکت کو آسان بنایا جا سکے۔ یہ پی ای ایم ایف سی کے لیے استعمال ہونے والے نیفیون کا الٹا ہے، جہاں ایک آئن پولیمر سے ہم آہنگی سے منسلک ہوتا ہے اور پروٹون ایک جگہ سے دوسری جگہ پر اچھلتے ہیں۔ چیلنج یہ ہے کہ بلند پی ایچ اور درجہ حرارت پر کیمیائی بگاڑ کے بغیر اعلی او ایچ-آئن چالکتا اور مکینیکل استحکام کے ساتھ اے ای ایم تیار کیا جائے۔ انحطاط کے اہم میکانزم ہوفمین کا خاتمہ ہیں جب β-ہائیڈروجن موجود ہوتے ہیں اور کیشنک سائٹ پر OH− آئن کے ذریعہ براہ راست نیوکلیوفیلک حملہ ہوتا ہے۔ ہوفمین کے خاتمے کی طرف کیمیائی استحکام کو بہتر بنانے کا ایک طریقہ یہ ہے کہ کیٹیانک سائٹ پر موجود تمام β-ہائیڈروجن کو ہٹا دیا جائے۔ یہ تمام انحطاط کے رد عمل پولیمر ریڑھ کی ہڈی کی کیمسٹری اور کیٹیشن کو محدود کرتے ہیں جنہیں اے ای ایم کی ترقی کے لیے شامل کیا جا سکتا ہے۔ ایک اور چیلنج پی ای ایم ایف سی میں مشاہدہ کردہ H + چالکتا کے مقابلے میں OH-آئن چالکتا حاصل کرنا ہے۔ چونکہ OH− آئنوں کا پھیلاؤ گتانک H + (بلک واٹر میں) کا نصف ہے، اسی طرح کے نتائج حاصل کرنے کے لیے OH− آئنوں کی زیادہ حراستی کی ضرورت ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں پولیمر کی زیادہ آئن کے تبادلے کی صلاحیت کی ضرورت ہوتی ہے۔ تاہم، اعلی آئن کے تبادلے کی صلاحیت ہائیڈریشن پر پولیمر کی ضرورت سے زیادہ سوجن اور مکینیکل خصوصیات کے ہم آہنگ نقصان کا باعث بنتی ہے۔ اے ای ایم ایف سی میں پانی کا انتظام بھی ایک چیلنج ثابت ہوا ہے۔ حالیہ تحقیق سے پتہ چلا ہے کہ فیڈ گیسوں کی نمی کا محتاط توازن فیول سیل کی کارکردگی کو نمایاں طور پر بہتر بناتا ہے۔ پروٹون ایکسچینج میمبرین الکلائن فیول سیل حوالہ جات فیول سیل بھی دیکھیں۔