خلية وقود غشائية لتبادل الأنيونات القلوية

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

خلية الوقود ذات غشاء التبادل الأنيوني القلوي ( AAEMFC ) ، والمعروفة أيضًا باسم خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الأنيوني (AEMFCs) ، أو خلايا الوقود ذات الغشاء القلوي (AMFCs) ، أو خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الهيدروكسيدي (HEMFCs) ، أو خلايا الوقود القلوية الصلبة (SAFCs)، هي نوع من خلايا الوقود القلوية التي تستخدم غشاء التبادل الأنيوني لفصل حجرات الأنود والكاثود.

تعتمد خلايا الوقود القلوية (AFCs) على نقل الأنيونات القلوية، وعادةً ما تكون أيونات الهيدروكسيد OH −بين الأقطاب الكهربائية. استخدمت خلايا الوقود القلوية الأصلية محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائي (KOH) كمحلول إلكتروليتي . أما خلايا الوقود القلوية الغشائية (AAEMFCs) فتستخدم بدلاً من ذلك غشاءً بوليمريًا ينقل أيونات الهيدروكسيد.

خلية وقود غشائية لتبادل الأنيونات القلوية

الآلية

في خلية الوقود الغشائية القلوية ذات الغلاف الجوي (AAEMFC)، يُضخ الوقود، الهيدروجين أو الميثانول، عند المصعد ، بينما يُضخ الأكسجين عبر الهواء والماء عند المهبط . يتأكسد الوقود عند المصعد ويُختزل الأكسجين عند المهبط. عند المهبط، ينتج عن اختزال الأكسجين أيونات الهيدروكسيد (OH⁻ ) التي تنتقل عبر الإلكتروليت باتجاه المصعد. عند المصعد، تتفاعل أيونات الهيدروكسيد مع الوقود لإنتاج الماء والإلكترونات. تمر الإلكترونات عبر الدائرة الكهربائية مُنتجةً التيار. [ 1 ]

التفاعلات الكهروكيميائية عند استخدام الهيدروجين كوقود:

عند المصعد: H₂ + 2OH⁻ → 2H₂O + 2e⁻

عند الكاثود: O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH −

التفاعلات الكهروكيميائية عند استخدام الميثانول كوقود:

عند المصعد: CH₃OH + 6OH⁻ → CO₂ + 5H₂O + 6e⁻

عند المهبط: 3/ 2O₂ + 3H₂O + 6e⁻ → 6OH⁻

الخواص الميكانيكية

قياس الخواص الميكانيكية

تُعدّ الخصائص الميكانيكية لأغشية التبادل الأيوني ذات أهمية بالغة لاستخدامها في تقنيات الطاقة الكهروكيميائية، مثل أغشية البوليمر الإلكتروليتية في خلايا الوقود. تشمل الخصائص الميكانيكية للبوليمرات معامل المرونة ، وقوة الشد، والليونة. يُعدّ اختبار إجهاد-انفعال الشد التقليدي، المستخدم لقياس هذه الخصائص، شديد الحساسية لإجراءات التجربة، نظرًا لاعتماد الخصائص الميكانيكية للبوليمرات بشكل كبير على طبيعة البيئة المحيطة، مثل وجود الماء، والمذيبات العضوية، والأكسجين، ودرجة الحرارة. [ 2 ] [ 3 ] تؤدي زيادة درجة الحرارة عمومًا إلى انخفاض معامل المرونة، وانخفاض قوة الشد، وزيادة الليونة، بافتراض عدم حدوث أي تغيير في البنية المجهرية. وتُلاحظ تغيرات كبيرة في الخصائص الميكانيكية بالقرب من درجة حرارة التحول الزجاجي . يُعدّ التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) تقنيةً تكميليةً شائعة الاستخدام لتوصيف الخصائص الميكانيكية للبوليمرات، بما في ذلك معامل التخزين ومعامل الفقد، كدوال لدرجة الحرارة.

طرق زيادة الخواص الميكانيكية

إحدى طرق تحسين الخواص الميكانيكية للبوليمرات المستخدمة في أغشية التبادل الأيوني السالب (AEM) هي استبدال الأمين الثلاثي التقليدي ومجموعات التبادل الأيوني السالب بمجموعات رباعية مطعمة. [ 4 ] ينتج عن هذه الأيونومرات معامل تخزين ومعامل يونغ كبيرين، وقوة شد عالية، وليونة عالية. كما أن استبدال الأيون المضاد من الهيدروكسيد إلى أيونات البيكربونات والكربونات والكلوريد يعزز قوة ومعامل مرونة الأغشية. وخلص ناردوتشي وزملاؤه إلى أن امتصاص الماء، المرتبط بنوع الأنيون، يلعب دورًا بالغ الأهمية في الخواص الميكانيكية. [ 4 ] قام تشانغ وزملاؤه بتحضير سلسلة من أغشية التبادل الأيوني السالب (AEM) المتينة والمتشابكة من بولي (2،6-ثنائي ميثيل-1،4-فينيلين أوكسيد) (PPO) مع كاتيونات إيميدازوليوم مستقرة كيميائيًا من خلال إضافة مجموعة رباعية إلى الإيميدازول المستبدل في المواضع C1 وC3 وC4 وربطها كيميائيًا عبر تفاعل "ثيول-إين". [ 5 ] أظهرت هذه الأغشية التبادلية الأنيونية المتشابكة خصائص ممتازة في تكوين الأغشية، كما أظهرت قوة شد أعلى نتيجةً لزيادة تفاعلات التشابك في سلاسل البوليمر، مما أدى بدوره إلى زيادة امتصاص الماء. وتعكس هذه العلاقة القوية بين امتصاص الماء والخواص الميكانيكية نتائج ناردوتشي وزملائه. [ 5 ] تشير نتائج تشانغ وآخرون إلى أن تشابك المواد الموصلة للأنيونات مع الكاتيونات العضوية المستقرة والمحمية فراغيًا يُعد استراتيجية فعالة لإنتاج أغشية تبادلية أنيونية متينة للاستخدام في خلايا الوقود القلوية.

مقارنة مع خلية الوقود القلوية التقليدية

كانت خلية الوقود القلوية التي استخدمتها وكالة ناسا في ستينيات القرن الماضي لبرنامجي أبولو ومكوك الفضاء تولد الكهرباء بكفاءة تقارب 70% باستخدام محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) كمحلول إلكتروليتي. في هذه الحالة، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ) الداخل عبر تيار هواء مؤكسد، والمتولد كناتج ثانوي من أكسدة الميثانول (إذا كان الميثانول هو الوقود)، مع محلول هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) مكونًا أيونات الكربونات (CO₃²⁻) أو البيكربونات ( HCO₃⁻ ) . لسوء الحظ، ونتيجة لذلك، يترسب كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃) أو بيكربونات البوتاسيوم (KHCO₃ ) على الأقطاب الكهربائية. مع ذلك، وُجد أن إزالة الأيونات الموجبة من القطب الكهربائي تُخفف من هذا التأثير، كما وُجد أن تكوين الكربونات قابل للانعكاس تمامًا من قِبل العديد من المجموعات الصناعية والأكاديمية، وأبرزها مجموعة فاركو. وقد طُوّرت أنظمة منخفضة التكلفة تعمل بثاني أكسيد الكربون باستخدام الهواء كمصدر للمؤكسد. [ 6 ] في خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الأيوني القلوي، يُستبدل محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائي بغشاء إلكتروليتي بوليمري صلب قادر على توصيل أيونات الهيدروكسيد. وهذا من شأنه التغلب على مشكلتي تسرب الإلكتروليت وترسب الكربونات، مع الاستفادة في الوقت نفسه من مزايا تشغيل خلية الوقود في بيئة قلوية. في هذه الخلايا، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء مُكَوِّنًا حمض الكربونيك ، الذي يتفكك بدوره إلى أيونات البيكربونات (HCO3− ) والكربونات (CO32− ) . يبلغ تركيز التوازن لأيونات الكربونات / البيكربونات أقل من 0.07% ، ولا يحدث أي ترسب على الأقطاب الكهربائية في غياب الكاتيونات (K + ، Na + ). [ 7 ] [ 8 ] ومع ذلك، يصعب تحقيق غياب الكاتيونات، حيث أن معظم الأغشية مُهيأة لتكوين أشكال وظيفية من الهيدروكسيد أو البيكربونات بدلاً من شكلها الأولي المستقر كيميائياً من الهالوجين، وقد يؤثر ذلك بشكل كبير على أداء خلية الوقود من خلال كل من الامتزاز التنافسي على المواقع النشطة وممارسة تأثيرات طبقة هيلمهولتز. [ 9 ]

بالمقارنة مع خلايا الوقود القلوية ، تحمي خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الأيوني القلوي أيضًا القطب الكهربائي من ترسب الكربونات الصلبة ، مما قد يتسبب في مشكلة نقل الوقود (الأكسجين/الهيدروجين) أثناء بدء التشغيل. [ 10 ]

تُصنع الغالبية العظمى من الأغشية/الأيونومرات المطورة بالكامل من الهيدروكربونات، مما يُسهّل إعادة تدوير المحفز ويُقلل من تسرب الوقود. يتميز الميثانول بسهولة تخزينه ونقله، كما يتمتع بكثافة طاقة حجمية أعلى مقارنةً بالهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، يقل تسرب الميثانول من المصعد إلى المهبط في خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الأيوني القلوي (AAEMFCs) مقارنةً بخلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني (PEMFCs)، وذلك بسبب اتجاه نقل الأيونات المعاكس في الغشاء، من المهبط إلى المصعد. علاوة على ذلك، يُمكن استخدام الكحولات الأعلى مثل الإيثانول والبروبانول في خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الأيوني القلوي (AAEMFCs)، لأن جهد المصعد فيها كافٍ لأكسدة روابط الكربون-كربون الموجودة في الكحولات. [ 11 ] [ 8 ]

التحديات

يُعدّ غشاء التبادل الأنيوني (AEM) التحدي الأكبر في تطوير خلايا الوقود الغشائية ذات غشاء التبادل الأنيوني القلوي (AAEMFCs). يتكون غشاء التبادل الأنيوني النموذجي من هيكل بوليمري مُرتبط بمجموعات تبادل أيوني كاتيونية لتسهيل حركة أيونات الهيدروكسيل الحرة (OH⁻) . وهذا عكس غشاء نافيون المستخدم في خلايا الوقود الغشائية ذات غشاء التبادل البروتوني (PEMFCs)، حيث يرتبط الأنيون تساهميًا بالبوليمر وتنتقل البروتونات من موقع إلى آخر. يكمن التحدي في تصنيع غشاء تبادل أنيوني ذي موصلية عالية لأيونات الهيدروكسيل واستقرار ميكانيكي دون تدهور كيميائي عند درجات حموضة ودرجات حرارة مرتفعة. تتمثل الآليات الرئيسية للتدهور في تفاعل هوفمان عند وجود ذرات هيدروجين بيتا، والهجوم النيوكليوفيلي المباشر لأيون الهيدروكسيل على الموقع الكاتيوني. يتمثل أحد أساليب تحسين الاستقرار الكيميائي ضد تفاعل هوفمان في إزالة جميع ذرات هيدروجين بيتا من الموقع الكاتيوني. تُقيّد جميع تفاعلات التدهور هذه التركيبات الكيميائية للهيكل البوليمري والكاتيونات التي يمكن دمجها لتطوير غشاء التبادل الأنيوني.

يتمثل تحدٍ آخر في تحقيق موصلية أيونات الهيدروكسيل (OH⁻ ) مماثلة لموصلية أيونات الهيدروجين (H⁺ ) الملاحظة في خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs). ونظرًا لأن معامل انتشار أيونات الهيدروكسيل (OH⁻) يساوي نصف معامل انتشار أيونات الهيدروجين (H⁺ ) (في الماء السائل ) ، فإن تحقيق نتائج مماثلة يتطلب تركيزًا أعلى من أيونات الهيدروكسيل (OH⁻)، وهو ما يستلزم بدوره قدرة تبادل أيوني أعلى للبوليمر. [ 12 ] مع ذلك، تؤدي قدرة التبادل الأيوني العالية إلى انتفاخ مفرط للبوليمر عند ترطيبه، وما يصاحب ذلك من فقدان للخواص الميكانيكية.

كما تبين أن إدارة المياه في خلايا الوقود الغشائية القلوية (AEMFCs) تشكل تحدياً. وقد أظهرت الأبحاث الحديثة [ 13 ] أن الموازنة الدقيقة لرطوبة غازات التغذية تُحسّن أداء خلية الوقود بشكل ملحوظ.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ وينتر، م؛ برود، ر. ج. (2004). "ما هي البطاريات وخلايا الوقود والمكثفات الفائقة؟" . مراجعات كيميائية . 104 (10): 4245-4269 . doi : 10.1021/cr020730k . PMID 15669155 . 
  2. ^ كنوث ، فيليب. دي فونا، ماريا لويزا، محرران. (2012/01/27). موصلات بروتون الحالة الصلبة . دوى : 10.1002/9781119962502 . رقم ISBN 978-1-119-96250-2.
  3. ↑ ماجستريك، بول دبليو؛ بوكارسلي، أندرو بي؛ بنزيجر، جاي بي (18 نوفمبر 2008). "الاستجابة المرنة اللزجة للنافايون. تأثيرات درجة الحرارة والترطيب على الزحف الشدّي". الجزيئات الكبيرة . 41 (24): 9849-9862 . Bibcode : 2008MaMol..41.9849M . doi : 10.1021/ma801811m . ISSN 0024-9297 . 
  4. ناردوتشي ، ريكاردو؛ شيلان، جيه-إف؛ فاهس، أ؛ باسكويني، لوكا؛ فونا، ماريا لويزا دي؛ كناوث، فيليب (2016). " الخواص الميكانيكية لأغشية التبادل الأيوني السالب من خلال الجمع بين اختبارات الإجهاد والانفعال الشدّي والتحليل الميكانيكي الديناميكي" . مجلة علوم البوليمرات، الجزء ب: فيزياء البوليمرات . 54 (12): 1180-1187 . Bibcode : 2016JPoSB..54.1180N . doi : 10.1002/polb.24025 . ISSN 1099-0488 . 
  5. 1 2 تشانغ، شياوجوان؛ كاو، ييجي؛ تشانغ، مين؛ هوانغ، يينغدا؛ وانغ، ييغوانغ؛ ليو، لي؛ لي، نانوين (15 فبراير 2020). "تحسين الخواص الميكانيكية لأغشية التبادل الأيوني ذات الإيميدازوليوم الضخم عن طريق الربط المتشابك "ثيول-إين" . مجلة علوم الأغشية . 596 117700. doi : 10.1016/j.memsci.2019.117700 . ISSN 0376-7388 . S2CID 213381503 .  
  6. ↑ "طريقة تشغيل خلية الوقود من نوع غشاء التبادل الأيوني السالب" .
  7. ↑ آدامز، إل إيه؛ فاركو، جيه آر (2008). "خلية وقود قلوية ذات غشاء تبادل أنيوني خالية من الإلكتروليت المائي ومقاومة لثاني أكسيد الكربون" (ملف PDF) . ChemSusChem . 1 ( 1-2 ): 79-81 . doi : 10.1002/cssc.200700013 . PMID 18605667. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 20 يوليو 2018. 
  8. 1 2 شين، ب.ك.؛ شو، س. (2005). خلايا الوقود المتقدمة : 149-179 .{{cite journal}}: CS1 maint: untitled periodical ( link )
  9. ↑ ميلز، جيه إن؛ ماكروم، آي تي؛ جانيك، إم جيه (2014). فيزياء الكيمياء الكيميائية . 16 (27): 13699– 13707. Bibcode : 2014PCCP...1613699M . doi : 10.1039/c4cp00760c . PMID 24722828 . {{cite journal}}: CS1 maint: untitled periodical ( link )
  10. ↑ غشاء التبادل الأيوني والأيونومر لخلايا الوقود الغشائية القلوية، مؤرشف في 7 ديسمبر 2008، في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
  11. ↑ فاركو، جيه آر؛ سليد، آر سي تي (2005). "آفاق أغشية التبادل الأيوني القلوية في خلايا الوقود منخفضة الحرارة" (ملف PDF) . خلايا الوقود . 5 (2): 187-200 . doi : 10.1002/fuce.200400045 . S2CID 18476566 . 
  12. ↑ أجيل، إي؛ بويه، ج؛ فوفارك، ج.ف. (2001). "توصيف واستخدام الأغشية الأنيونية لخلايا الوقود القلوية". مجلة مصادر الطاقة . 101 (2): 267-274 . Bibcode : 2001JPS...101..267A . doi : 10.1016/s0378-7753(01)00759-5 .
  13. ↑ أوماستا، تي جيه؛ وانغ، إل؛ بينغ، إكس؛ لويس، سي إيه؛ فاركو، جيه آر؛ موستين، دبليو إي (2017). "أهمية موازنة الماء في الغشاء وماء القطب في خلايا وقود غشاء التبادل الأيوني السالب" (ملف PDF) . مجلة مصادر الطاقة . 375 : 205-213 . doi : 10.1016/j.jpowsour.2017.05.006 .