알칼리성 연료전지
Alkaline fuel cell |
영국의 발명가 프랜시스 토마스 베이컨의 이름을 따서 베이컨 연료 전지라고도 알려진 알칼리 연료 전지 (AFC)는 가장 발달된 연료 전지 기술 중 하나이다.알칼리성 연료전지는 수소와 순수한 산소를 소비하여 음용수, 열, 전기를 생산한다.연료전지는 가장 효율적인 연료전지 중 하나로 70%에 이를 수 있습니다.
NASA는 1960년대 중반부터 아폴로 시리즈 임무와 우주 왕복선에서 알칼리성 연료 전지를 사용해 왔다.
반반응
연료전지는 수소와 산소 사이의 산화환원 반응을 통해 전력을 생산한다.양극에서 수소는 반응에 따라 산화됩니다.
물을 생산하고 전자를 방출합니다.전자는 외부 회로를 통과하여 음극으로 돌아가 반응 시 산소를 줄입니다.
수산화 이온을 생성한다.순반응은 두 개의 물 분자를 생산하는데 산소 분자 하나와 수소 분자 두 개를 소비한다.전기와 열은 이 반응의 부산물로 형성됩니다.
전해질
두 전극은 수산화칼륨(KOH)과 같은 알칼리성 수용액으로 포화된 다공질 매트릭스에 의해 분리됩니다.알칼리성 수용액은 이산화탄소(CO2)를 제거하지 않기 때문에 연료전지가 KOH에서 탄산칼륨(KCO)으로23 변환됨으로써 "독성"이 될 수 있습니다.이러한 이유로 알칼리성 연료 전지는 일반적으로 순수한 산소 또는 최소한 정제된 공기로 작동하며 가능한 한 많은 이산화탄소를 제거하기 위해 설계에 '스크러버'를 포함합니다.산소의 생성과 저장 요건은 순수 산소 AFC를 비싸게 만들기 때문에, 적극적인 기술 개발에 임하는 기업은 거의 없다.그러나 연구계에서는 독극물이 영구적인지 아니면 되돌릴 수 있는지에 대한 논란이 일고 있다.중독의 주요 메커니즘은 KCO에23 의한 음극 내 모공의 차단이며, 이는 가역적이지 않으며, KOH를 원래 농도로 되돌리면 가역적일 수 있는 전해액의 이온 전도율 감소이다.대체 방법으로는 단순히 KOH를 교환하여 셀을 원래 출력으로 되돌리는 방법이 있습니다.
이산화탄소가 전해질과 반응하면 탄산염이 형성된다.탄산염은 전극의 기공에 침전되어 결국 막을 수 있다.더 높은 온도에서 작동하는 AFC는 성능 저하를 보이지 않는 반면, 상온 부근에서는 성능 저하가 현저하게 나타났다.상온에서의 탄산염 중독은 상온 주변의 KCO의23 용해도가 낮아 전극 구멍을 막는 KCO의23 침전이 원인인 것으로 생각된다.또 이들 침전물은 전극 배접층의 소수성을 서서히 저하시켜 구조 열화 및 전극 플래딩을 일으킨다.
한편 전해질 중의 전하 운반 수산화 이온은 유기연료 산화(메탄올, 포름산) 또는 공기로부터 이산화탄소와 반응하여 탄산염종을 형성할 수 있다.
탄산염 생성은 전해질로부터 수산화 이온을 방출하여 전해질 전도율을 저하시키고 결과적으로 세포 성능을 감소시킨다.이러한 벌크 효과뿐만 아니라 증기 압력의 변화 및/또는 전해질 부피의 변화로 인한 수분 관리에 미치는 영향도 해로울 수 있다.
기본 설계
이러한 중독 효과로 인해 두 가지 주요 변종인 정적 전해질과 유동 전해질이 존재합니다.아폴로 우주선과 우주왕복선에 사용되는 정적 또는 고정화된 형태의 전해질 세포는 일반적으로 수산화칼륨에 포화된 석면 분리기를 사용합니다.물의 생산은 양극의 증발로 제어되며, 이는 다른 용도로 재활용될 수 있는 순수한 물을 생산합니다.이러한 연료 전지는 일반적으로 백금 촉매를 사용하여 최대의 체적 및 특정 효율을 달성합니다.
유동 전해질 설계에서는 전해질이 전극 간(전극과 평행) 또는 전극을 통해 횡방향(ASK 유형 또는 EloFlux 연료 전지)으로 흐를 수 있도록 하는 보다 개방적인 매트릭스를 사용합니다.병렬류 전해질 설계에서는 생성된 물은 전해질 내에 유지되며 오래된 전해질은 자동차 내 오일 교환과 유사한 방법으로 신선한 것으로 교환할 수 있다.이 흐름을 활성화하려면 전극 사이에 더 많은 공간이 필요하며, 이는 셀 저항이 증가하여 고정화된 전해질 설계에 비해 출력이 감소합니다.이 기술의 또 다른 과제는 KCO에 의한23 음극의 영구 차단 문제가 얼마나 심각한가 하는 것이다. 일부 공개된 보고서에서는 수천 시간의 공기 작동 시간을 보여주고 있다.이러한 설계에서는 플래티넘 촉매와 비귀금속 촉매가 모두 사용되었기 때문에 효율과 비용이 증가했습니다.
전해질의 횡방향 흐름을 가진 EloFlux 설계는 저비용 구조와 교체 가능한 전해질이라는 장점이 있지만, 지금까지는 산소를 사용한 것으로만 입증되었습니다.
전극은 활성 전극층과 소수성 층이라는 이중 층 구조로 구성됩니다.활성층은 유기 혼합물로 구성되어 있으며, 유기 혼합물은 분쇄된 후 상온에서 압연되어 가교된 자체 지지 시트를 형성합니다.소수성 구조는 전해액이 반응물 가스 유로로 누출되는 것을 방지하고 반응 부위로 가스가 확산되는 것을 보장합니다.그런 다음 두 개의 층을 전도성 금속 메시에 압착하여 소결 처리를 완료합니다.
알칼리성 연료전지의 또 다른 변형에는 금속수소화물 연료전지 및 직접 수소화붕소 연료전지가 포함된다.
산성 연료 전지 대비 장점
알칼리성 연료전지는 주변 온도와 90°C 사이에서 작동하며, 양성자 교환막 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지, 인산 연료전지 등 산성 전해질을 가진 연료전지보다 전기 효율이 높습니다.그 알칼리성의 화학 때문에, 산소 감소 반응은 음극에서(오크리지 연구로)반응 속도론 훨씬 더 산성 세포보다, 철, 코발트, 니켈과 같은non-noble 금속의 양극(여기서 연료 산화된다)에서 사용할 수 있는;그리고 cathode,[1]에서 은, 쇠 phthalocyanines 같은 저렴한 아세안 회원국의 낮은 overpotentials으로 인해 안이한 있다.a높은 pH에서 전기화학적 반응과 관련이 있다.
알칼리성 매질은 또한 메탄올과 같은 연료의 산화를 가속화하여 연료들을 더 매력적으로 만든다.이것은 산성 연료 전지에 비해 오염을 덜 일으킨다.
상업적 전망
AFC는 제조하기에 가장 저렴한 연료 전지입니다.전극에 필요한 촉매는 다른 유형의 연료 전지에 필요한 촉매에 비해 저렴한 여러 화학 물질 중 하나일 수 있습니다.
AFC의 상업적 전망은 주로 이 기술의 최근 개발된 쌍극판 버전에 달려 있으며, 이전의 단극판 버전에 비해 성능이 상당히 우수하다.
세계 최초의 연료전지선인 히드라는 5kW의 순출력을 가진 AFC 시스템을 사용했다.
또 다른 최근의 개발은 액체 전해질 대신 고체 음이온 교환막을 이용하는 고체 알칼리성 연료 전지입니다.이것은 중독 문제를 해결하고 액체 요소 용액이나 금속 아민 복합체와 같이 수소가 풍부한 운반선에서 작동할 수 있는 알칼리성 연료 전지의 개발을 가능하게 한다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ Reuters Editorial (14 September 2007). "Platinum-free fuel cell developed in Japan". Reuters. Retrieved 26 February 2016.
외부 링크
개발자
