포름산 연료전지

Formic acid fuel cell

포름산 연료 전지(direct formic acid fuel cells 또는 DFAFCs)는 액체 연료가 수소를 생성하기 위해 개질하는 대신 연료극에서 직접 산화(전기화학적으로)되는 직접 액체 공급 연료 전지(DLFCs)의 하위 범주입니다.포름산 기반 연료전지는 높은 체적 에너지 밀도, 이론 에너지 효율 및 이론적 개방 회로 전압 측면에서 유망한 에너지 공급 시스템을 나타냅니다.그들은 또한 안전한 취급, 저장, 그리고2 H 수송과 같은 전통적인 수소(H2) 공급 연료 전지에 내재된 특정한 문제들을 극복할 수 있습니다.

DFAFC에는 크게 3가지 종류가 있습니다.

  • 능동형 DFAFC: 펌프가 액체 연료를 연료극으로 공급하고 압축 공기 중의 산소를 공기극으로 공급합니다.
  • 공기를 호흡하는 능동형 DFAFC, 공기 중에 존재하는 산소에 음극이 노출됩니다.
  • 연료와 산소를 셀 내부로 주입하는 기계적 부품이 없는 수동 공기 호흡 DFAFC.

셀에 연료와 공기를 공급하면 가격과 크기/[1]휴대성의 비용으로 셀의 에너지 출력이 증가합니다.

오늘날 DFAFC의 주요 응용 분야는 소형 휴대용 전자기기, 의료용 진단기기 뿐만 아니라 더 큰 고정 전력 응용 분야 및 전기 자동차 등입니다.

연료 소싱

FA는 일반적으로 강력한 염기가 존재하는 상태에서 CO와 메탄올을 반응시켜 생성되며, 이어서 메틸 포름산염 가수분해, 포름산아미드 가수분해, 포름산염 산분해 등이 수행됩니다.그러나 FA는 CO의2 직접적인 전기 환원으로부터도 지속적으로 생성될 수 있으며, 이는 연료 전지 자체로부터의 CO 생성의2 영향을 무력화시켜 환경 영향을 감소시킵니다.반응은 다음과 같습니다.

CO + 2H + 2e → HCOO (산성환경)

CO + 2H + 2e → HCOOH (중립/중립 환경)

DFAFC를 다른 에너지원과 비교

포름산(FA)은 높은 체적 에너지 밀도(53g2 H/L[2]), 개방 회로 전압(1.48V[3]), 높은 이론 에너지 효율(58%)[2] 등 유용한 특성으로 인해 여러 연료가 시도되었지만 가장 많은 관심을 받았습니다.또한, 포름산의 저장은 순수한 수소의 저장보다 더 쉽고 안전하며, FA는 고압 및/또는 저온에서 유지될 필요가 없습니다.

메탄올과 유사하게 FA는 연료 전지에 직접 공급되는 작은 유기 분자이므로 복잡한 촉매 개질이 필요 없습니다.그러나 포름산이 고분자 [4]막 위를 넘지 않기 때문에 메탄올에 비해 독성이 낮고 산화 운동성이 우수하며 연료전지 효율이 높습니다.FA는 낮은 크로스오버 경향으로 인해 메탄올보다 높은 농도에서 사용될 수 있으므로 낮은 체적 에너지 밀도(4.4 kWh/dm3 대 2.13 kWh/dm3)[5]의 단점을 완화합니다.

DFAFC와 순수 수소 전지, 메탄올 전지 및 가솔린을 몇 가지 특성별로 비교한 결과는 아래 표에 보고되어 있습니다.

연료 가격(US$/kg) 에너지 밀도(kWh/dm3) 작동온도(°C) 보관 압력(바)
FA 0.7 2.13[6] 20 - 60 (DFAFC)[7]
ㅇ2 2.6 - 5.1[8] 0.53[9] 150 - 200 (AFC)[10] 700[11]
메탄올 0.2 - 0.4[12] 4.4 - 4.9[5] 30 - 90 (DMFC)[13]
휘발유. 2.5 - 3.5(갤런당 미화) 13[14]

FA 안전 문제

85% 농도의 포름산은 가연성이며 희석된 포름산은 미국 식품의약국의 식품첨가물 목록에 올라 있습니다.포름산의 주요 위험은 피부나 눈이 농축된 액체나 [4]증기와 접촉하는 것입니다.

반응

DFAFC는 포름산과 산소를 이산화탄소와 물로 전환시켜 에너지를 생산합니다.포름산 산화는 촉매층의 양극에서 발생합니다.이산화탄소가 생성되고 양성자(H+)가 고분자 막을 통과하여 음극에 위치한 촉매층에서 산소와 반응합니다.전자는 양극에서 음극으로 외부 회로를 통과하여 외부 장치에 전력을 공급합니다.

DFAFC의 직접적인 양극, 음극 및 순반응은 [1]다음과 같이 보고됩니다.

양극 : HCOOH → CO + 2H + 2e
E = -0.25V (vsSHE)
음극 : 1/2O + 2H + 2e → HO
E = 1.23V (vsSHE)
순반응 : HCOOH + 1/2O → CO + HO
E = 1.48V (vsSHE)

대체 반응 경로

위 절에서 보고된 반응 메커니즘은 일반적으로 단순한 설명 목적으로 사용되지만, 화학적 경로는 실제로 더 복잡하며, 그 효율을 최적화하기 위한 DFAFC에 대한 대부분의 연구의 중심에 있습니다.Pt 및/또는 Pt [4]합금과 같은 적절한 형상 및 형태를 갖는 촉매를 사용함으로써 특정 경로에 의해 야기되는 유해한 영향 및 중독을 완화시킬 수 있습니다.

음극

캐소드에서 발생하는 산소 환원 반응(ORR)을 조사했습니다.그것은 두 가지 다른 경로를 통해 발생할 수 있습니다: 하나는 4개의 전자와 다른 두 개의 전자의 이동을 포함합니다.전자는 물(HO2)을 생성하고 후자는 과산화수소(HO22)를 생성합니다.과산화수소 라디칼은 막 분리막에 유해한 영향을 미치므로 그것의 형성은 잠정적으로 [4]피해야 합니다.

양극

양극에서 포름산 전기 산화(FAEO) 메커니즘은 거의 반세기 동안 해상도 없이 조사되었습니다.세부 사항은 여전히 논의 중이지만, 산화 메커니즘이 두 개의 평행 경로로 구성된 FAEO에 대한 메커니즘은 일반적으로 받아들여지고 있습니다.직접 경로는 HCOOH의 탈수소화 반응을 통해 발생하는 반면, 간접 경로는 탈수 반응에 의해 진행되어 중간체로서 흡착된 CO를 형성하고 이후 CO로2 산화됩니다.

직접경로 : HCOOH → 활성중합체 → CO + 2H + 2e

간접경로 : HCOOH → CO + HO → CO + 2H + 2e

간접 산화 경로는 탈수 반응을 통해 발생하며 일시적으로 피독 중간 COAD를 형성하여 연료 [15]전지의 효율을 저하시킵니다.

DFAFC에 사용되는 촉매

음극

음극에서 DFFC 촉매의 중요한 특성은 가능한 FA 교차에 따른 셀의 효율 저하를 방지하기 위해 주로 ORR에 대한 높은 활성과 FA에 대한 내성입니다.재료는2 TiO/C와 CNx 나노섬유와 같은 복합 기판 위에 백금(Pt)을 선택합니다.대안적인 촉매로는, 질소 도핑된 탄소 나노튜브(CNT)[4] 상에 증착된 코발트(Co) 및 철(Fe)과 함께, 이리듐(Ir) 및 Ir 합금이 있습니다.

양극

백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 기반 촉매는 DFAFC의 대표적인 양극 옵션입니다.

백금 입자의 표면 형태는 반응에 영향을 미치는데, 계단과 계단은 바람직한 직접 경로를 선호하는 반면 평평한 입자는 간접적인 (바람직하지 않은) 경로를 발생시킵니다.

일반적으로 Pd 촉매는 더 높은 CO 내성을 가지며, FA를 이산화탄소로 촉매하는 속도가 더 빠르며, Pt 촉매에 비해 출력 밀도가 더 높습니다.그들의 단점은 응집체의 형성과 빠른 [4]기능 상실입니다.

역사

이전 조사에서 연구원들은 포름산이 실험에 의해 보여진 높은 과전위 때문에 실용적인 연료라고 일축했습니다. 이것은 그 반응이 실용적이기에는 너무 어려워 보인다는 것을 의미했습니다.하지만, 2005년에서 2006년 사이에 다른 연구원들 (특히 일리노이 대학교 어바나 샴페인의 리차드 마셀 그룹)은 백금이 대부분의 다른 종류의 연료 전지에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 성능이 낮은 이유가 촉매로 사용되었기 때문이라는 것을 발견했습니다.대신 팔라듐을 사용하면 동등한 직접 메탄올 [15]연료전지보다 더 좋은 성능을 얻었다고 주장합니다.2006년 4월 현재 Tekion은[16] Illinois University at Urbana-Champaign의 PEM 막과 포름산 연료를 사용하는 DFAFC 연료 전지 기술에 대한 독점 라이센스를 보유하고 있으며, [17][18]Motorola의 투자로 2007년 말까지 BASF와 협력하여 파워팩을 설계 및 제조하고 있습니다. 하지만 개발이 지연된 것으로 보이며, 거의 모든 I2010년 4월 24일 이전에 Tekion의 웹사이트에서 정보가 삭제되었습니다.

Neah Power Systems, Inc.와 Silent Falcon UAS Technologies는 포름산 개질기 연료 전지 기술을 Silent Falcon의 무인 항공 시스템(UAS), 일명 "드론"[19][20]에 통합하기 위해 협력했습니다.

2018년에는 황금 단일원자 사이트 백금 [21]촉매를 사용하여 높은 과전위를 요구하는 문제를 해결하는 연구가 발표되었습니다.

참고 항목

참고문헌

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