Alkalický palivový článek

Alkaline palivový článek  - ( anglicky  alkalický palivový článek, AFC ), nejvíce studovaná technologie palivových článků , tyto prvky letěly s člověkem na Měsíc .

NASA používá alkalické palivové články od poloviny 60. let v řadách Apollo a Space Shuttle . Alkalické palivové články spotřebovávají vodík a čistý kyslík a produkují vodu, teplo a elektřinu. Jsou nejúčinnější z palivových článků s účinností až 70 %.

Chemie

Palivový článek generuje energii prostřednictvím redoxní reakce mezi vodíkem a kyslíkem. Na anodě se vodík oxiduje podle reakce:

s tvorbou vody a uvolňováním elektronů. V tomto případě elektrony proudí vnějším obvodem a vracejí se ke katodě, při reakci se spotřebovává kyslík:

a produkuje hydroxidové ionty. Kompletní reakční cyklus spotřebuje jednu molekulu kyslíku a dvě molekuly vodíku, čímž vzniknou dvě molekuly vody. Jako vedlejší produkty této reakce vzniká elektrická a tepelná energie.

Elektrolyt

Dvě elektrody jsou odděleny porézní matricí nasycenou vodným alkalickým roztokem, obvykle hydroxidem draselným (KOH). Vodné alkalické roztoky absorbují oxid uhličitý (CO 2 ), takže se palivový článek může „otrávit“ přeměnou KOH na uhličitan draselný (K 2 CO 3  ). Z tohoto důvodu alkalické palivové články obvykle běží na čistém kyslíku nebo alespoň na vzduchu bez oxidu uhličitého a musí obsahovat konstrukci „scrubber“, aby odstranily co nejvíce oxidu uhličitého. Protože požadavky na výrobu a skladování kyslíku činí čistý kyslík drahým, existuje několik společností, které tuto technologii aktivně propagují. Ve vědecké komunitě však existuje určitá diskuse o tom, zda je otrava trvalá nebo reverzibilní. Hlavními mechanismy otravy jsou ucpání pórů na katodě K 2 CO 3 , které není reverzibilní, a pokles iontové vodivosti elektrolytu, který může být reverzibilní, čímž se KOH vrátí na původní koncentraci. Alternativní metoda zahrnuje jednoduchou výměnu KOH, která resetuje palivový článek do původního stavu. 

Když oxid uhličitý reaguje s elektrolytem, ​​tvoří se uhličitany. Uhličitany se mohou ukládat na pórech elektrod, které je nakonec zablokují. Bylo zjištěno, že provoz AFC při vyšších teplotách nevykazuje zhoršení výkonu, zatímco při teplotě kolem pokojové teploty bylo pozorováno výrazné snížení výkonu. Předpokládá se, že otrava uhličitanem při teplotě okolí je výsledkem nízké rozpustnosti K2C03 při pokojové  teplotě, což vede k vysrážení K2C03 , které blokuje póry elektrody. Kromě toho tyto precipitanty progresivně snižují hydrofobnost nosné vrstvy elektrody, což vede ke strukturální degradaci a ucpání elektrody.

Na druhé straně hydroxylové ionty nesoucí náboj v elektrolytu mohou reagovat s oxidem uhličitým z oxidačních produktů fosilních paliv (tj. methanolu, kyseliny mravenčí) nebo vzduchu za vzniku uhličitanových sloučenin.

Tvorba uhličitanů vyčerpává hydroxidové ionty z elektrolytu, snižuje vodivost elektrolytu a tím i výkon palivových článků. Změny objemu elektrolytu, tlak vodní páry v článku a další faktory mohou také snížit produktivitu.

Základní návrhy

Kvůli tomuto otravnému účinku se používají dvě hlavní varianty AFC : se statickým a proudícím elektrolytem. Statické nebo imobilizované články, elektrolytového typu, instalované v kosmické lodi Apollo a raketoplánu, obvykle používají separátor azbestu nasycený hydroxidem draselným. Výroba vody je řízena odpařováním z anody, jak je znázorněno na obrázku výše, která produkuje čistou vodu, kterou lze uvolnit pro jiné použití. Tyto palivové články využívají platinové katalyzátory k dosažení maximální objemové a hmotnostní účinnosti.

Návrhy průtokových článků používají otevřenější matrici, která umožňuje elektrolytu proudit buď mezi elektrodami (paralelně) nebo napříč elektrodami (jako je palivový článek ASK nebo EloFlux ). V paralelně proudových konstrukcích výměny elektrolytu se výsledná voda zadržuje v elektrolytu a starý elektrolyt může být nahrazen čerstvým elektrolytem, ​​podobně jako při výměně oleje v autě. Mezi elektrodami je potřeba další prostor pro průchod proudění, což vede ke zvýšení vnitřního odporu článků, snížení výstupního výkonu oproti imobilizovaným strukturám. Dalším technologickým problémem je neustálé blokování katody K 2 CO 3 ; některé publikované zprávy ukázaly tisíce hodin ve vzduchu(?). V těchto konstrukcích byly použity platinové katalyzátory i katalyzátory ze základních kovů, což vedlo ke zvýšení účinnosti a zvýšeným nákladům.

Konstrukce EloFlux s příčným tokem má výhodu v nízkých nákladech na výměnu elektrolytu, ale dosud byla demonstrována pouze s použitím kyslíku.

Elektrody se skládají z dvouvrstvé struktury: aktivní elektrokatalyzátorová vrstva a hydrofobní vrstva. Aktivní vrstva sestává z organické směsi, která je základem a poté se válcová při teplotě místnosti za vzniku zesíťované samonosné fólie. Hydrofobní struktura zabraňuje úniku elektrolytu do reagenčních kanálů proudů plynů a zajišťuje difúzi plynů do místa reakce. Tyto dvě vrstvy se poté přitlačí na vodivou kovovou síť a proces je dokončen sintrováním.

Další varianty alkalického palivového článku zahrnují palivový článek s hydridem kovu a přímý palivový článek s hydridem boru.

Obchodní vyhlídky

AFC jsou nejlevnější z palivových článků na výrobu. Katalyzátory potřebné pro elektrody jsou vyrobeny z chemikálií, které jsou levné ve srovnání s těmi, které jsou vyžadovány pro jiné typy palivových článků.

Komerční vyhlídky leží především u AFC , přičemž nově vyvinutá verze této technologie s bipolárními deskami výrazně překonává dřívější verze s monoplatními deskami.

První loď na světě s palivovými články HYDRA  používá systém AFC s výkonem 5 kW.

Dalším nedávným vývojem je nástup alkalických palivových článků v pevném stavu, které místo kapaliny používají alkalické membrány pro výměnu aniontů. To řeší problém otravy a umožňuje vývoj alkalických palivových článků schopných fungovat na bezpečnějších nosičích bohatých na vodík, jako jsou kapalné roztoky močoviny nebo komplexy kov-aminy.

Externí odkazy

• GOST 15596-82 Zdroje chemického proudu. Termíny a definice
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732