Hur kan metanolöverskridning påverka bränslecellsystemens effektivitet?

Metanolöverskridning, där metanol rör sig från anod till katod, är ett centralt problem i Direct Methanol Fuel Cells (DMFC). Förutom anoden går cirka 70 % av den kemiska energin i metanol förlorad som värme, på grund av metanolens överskridning och de irreversibla elektrodreaktionerna. Detta lämnar endast 30 % av energin användbar som elektricitet. För att minska metanolöverskridning krävs det att metanol spädas, trots dess höga energidensitet (ungefär 1,8 kWh kg−1). Minskningen i koncentration medför ett behov av att öka storleken på cellstacken i direkt proportion. Detta är särskilt problematiskt när DMFC:er används i bärbara elektroniska apparater, då det är avgörande att noggrant kunna förutsäga effektförbrukningen i relation till cellstackens ökande storlek.

En annan faktor som påverkas av metanolöverskridning är kinetiken för syre-reduktion i katoden. Hur denna påverkan fungerar, och varför den sänker reaktionshastigheten, är fortfarande inte helt klarlagt. Trots att en ökning av mängden platina-rutheniumkatalysatorer har en negativ effekt på kostnaden, kan valet av lämpliga membran och syretåliga katoder minska reaktionshastigheterna. I de flesta fall leder bränsleöverskridning till en minskning av bränsleförbrukningen, påverkar och sänker katodens aktivitet, producerar överskottsvärme och försämrar cellens potential och den totala prestandan.

För att maximera systemets effektivitet krävs det att bränslets genomtränglighet minskas. De flesta typer av DLFC hanterar bränsleöverskridningsproblem, som påverkar den övergripande prestandan avsevärt. Låg bränslekoncentration och membranpermeabilitet är två problem som har lett till flera försök att åtgärda dem. En ytterligare konsekvens av låg bränslekoncentration är att DMFC-prestanda kommer att minska när antalet bränslemolekyler som kan oxideras minskar.

En ny lösning för att förbättra DMFC:ers prestanda är nanokomposit-polymermembran som inkluderar yta-modifierad sepiolit i en PVDF-g-PS kopolymer som PEM. Genom att kemiskt modifiera ytan på sepiolit (SP) med vinyltriethoxysilan och sedan behandla dem med klorsulfonsyra, skapas sulfongrupper (-SO3H) som förbättrar protonledningsförmågan. Vid 110°C når dessa S-PPMS-membran en topp-effekt på 210 mW cm−2, vilket överträffar den effekt som uppnås av Nafion-117. Dessa resultat visar att de utvecklade nanokompositmembranen har potential för användning i DMFC-applikationer.

En annan metod för att hantera bränsleöverskridning är att förbättra katalysatorerna. För att undvika bränsleförlust och överspänning kan dessa katalysatorer uppvisa inerta egenskaper för reaktioner som inte bör ske vid katoden, vilket förbättrar systemets övergripande effektivitet. Katalysatorernas inerta egenskaper vid katoden gör att reduktionsprocessen kan fortgå utan avbrott. Katalysatorer baserade på övergångsmetaller, som kan ersätta platina, har också visat sig vara effektiva på katodens sida, eftersom de har god inerta egenskaper mot bränsleoxidation. Nackdelen med icke-platinakatalysatorer är deras dåliga aktivitet vid syre-reduktion (ORR), vilket gör att tillsatser eller stödmaterial ofta behövs för att förbättra deras effektivitet.

Långsiktig stabilitet hos DMFC-system har också varit en begränsande faktor för kommersialiseringen av denna teknik. Eftersom DMFC:er förgiftas av mellanprodukter som bildas vid metanolens oxidation till MEA, är deras nedbrytningshastighet förmodligen betydande. Forskning har visat att cellens prestanda försämras avsevärt efter 200 timmar, och efter 1002 timmar kan den inte återhämta sin ursprungliga prestanda. Denna prestandaförlust beror delvis på upplösningen av rutheniummetall från anodens katalysatorytor. Hittills har det funnits få lösningar på detta problem, och det är nödvändigt att utveckla bättre katalysatorer för DMFC, såsom binära eller ternära katalysatorer, för att hantera denna utmaning.

Hur kan teknologin bakom direkt etanolbränsleceller förbättras för en framtid utan koldioxidutsläpp?

Direkta etanolbränsleceller (DEFCs) har väckt stort intresse på grund av deras potential att fungera som en hållbar energikälla i en värld som kämpar med klimatförändringar och beroende av fossila bränslen. Bränsleceller som denna omvandlar kemisk energi i bränslet direkt till elektricitet utan att släppa ut skadliga ämnen, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ för att minska koldioxidutsläppen. Etanol, som är en av de primära bränslen som används i DEFCs, har visat sig vara relativt säkert, billigt och lättillgängligt, och är dessutom förnybart. Trots dessa fördelar finns det fortfarande utmaningar som måste övervinnas för att DEFC-teknologin ska kunna kommersialiseras på bredare front.

Förutom de tekniska utmaningarna med etanoloxidationen finns även problem med bränsleceller som använder metanol, där metanolens höga toxicitet och genomtränglighet genom membranen gör att cellernas prestanda minskar. Detta är särskilt problematiskt när metanol tränger igenom membranen och reagerar med syre på katodens yta, vilket leder till blandade potentialer och slöseri med bränsle. Etanol, som en mer miljövänlig och förnybar resurs, är ett bättre alternativ, eftersom dess genomträngningshastighet är lägre och effekten på katoden är mindre förödande än metanolens.

Det finns två huvudtyper av direkt etanolbränsleceller: protonutbytesmembran DEFCs (PEM-DEFCs) och anjonutbytesmembran DEFCs (AEM-DEFCs). PEM-DEFCs lider av långsam etanoloxidation även med användning av syra och platinumkatalysatorer, vilket gör att denna teknik har begränsad effektivitet i dagens bränslecellssystem. En lösning på detta problem är att använda alkaliska medier istället för sura elektrolyter, vilket har visat sig förbättra oxidationsreaktionerna och öka effektiviteten. Denna utveckling gör det möjligt att använda billigare och mindre giftiga katalysatorer, som nickel, silver och palladium, vilket ger lägre produktionskostnader och bättre långsiktig hållbarhet.

För att bränsleceller baserade på etanol ska bli konkurrenskraftiga på marknaden måste vi ta itu med flera frågor, såsom cellernas livslängd och kostnad. Bränsleceller som fungerar effektivt vid låga temperaturer riskerar att drabbas av ytförgiftning på anoden, särskilt när mellanprodukter som CO-analoger adsorberas för starkt. Detta kräver noggranna justeringar av både elektrolytkomposition och katodmaterial. Fortsatta framsteg i elektrolytkemins och katalysatorernas utveckling är avgörande för att uppnå en högre grad av effektivitet och hållbarhet.

Samtidigt måste vi inte bara fokusera på teknologiska framsteg utan också på etanolens ursprung och produktion. Etanol som bränsle kan framställas genom biologiska processer som etanolfermentering från grödor som majs, sockerrör eller vete. Denna bioteknologiska väg erbjuder en förnybar källa till bränsle, men det finns också utmaningar i att göra denna process mer energieffektiv och hållbar. Genom att vidareutveckla metoder för att producera etanol från avfall och biomassa kan vi minska den totala miljöpåverkan av bränslet.

DEFCs och relaterade teknologier som direktmetanolbränsleceller (DMFCs) representerar lovande vägar mot en framtid där energi utvinns mer effektivt och med lägre miljöpåverkan. Det är dock viktigt att komma ihåg att utvecklingen av denna teknologi inte bara handlar om att förbättra tekniska egenskaper utan också om att skapa ett hållbart ekosystem för bränsleproduktionen och användningen. Bränslecellens effektivitet, livslängd och kostnader är alla faktorer som måste optimeras för att göra DEFCs till ett realistiskt alternativ för den globala energimarknaden.

Hur kan palladium- och platinkatalysatorer förbättra oxidation av myrsyra i direkta bränsleceller (DFAFC)?

Oxidationen av myrsyra har genomgått noggranna undersökningar, särskilt i relation till platinkristaller modifierade med en monolager av sekundära metaller. En omfattande studie av Pt (111)-Pd-systemet och PtPd-alloyer utfördes av Arenz et al. och publicerades i [35]. Vid 0,4 V visade sig Pd-atomer på ytan vara upp till tre gånger mer aktiva än Pt-atomer. En intressant upptäckt var att CO adsorberades på Pt-sidor men inte på Pd-sidor. Detta fenomen har visat sig vara avgörande för att förstå hur metaller som palladium kan användas för att minska giftigheten hos adsorberat kolmonoxid (CO) under myrsyreoxidation.

Macia et al. undersökte inverkan av Bi-adlagringar på oxidation av myrsyra vid både stationära och snurrande Pt (111)-elektroder. Aktiviteten ökade när täckningen av Bi-lagren nådde 0,1–0,25 av ett monolager, beroende på koncentrationen av myrsyra. Det är av särskild vikt att notera att de elektriska transienta som mättes i denna studie inte visade några tecken på förgiftning av elektroderna. Enligt denna forskning verkar mängden adsorberat CO inte öka avsevärt när processen går via ett intermediärt adsorberat form.

En annan betydande observation har gjorts för Pt4Mo-legeringen [35], där risken för CO-toxicitet minskade när en hydrerad Mo-oxid bildades på ytan. Detta fenomen kan också bidra till att påskynda den primära vägen för myrsyreoxidation. En hypotetisk och potentiellt intressant katalysator, som Demirci [36] föreslår, är PtAg-systemet, vilket kan vara en lovande kandidat för användning i direkt formisk syra bränsleceller (DFAFC). Dock krävs experimentella bevis för att stödja denna teori.

Nyare forskning har också undersökt användningen av Pt-FeTSPc-ko-katalysatorer (tetrasulfophthalocyanin) för myrsyrelektrooxidation. Effekten av att använda Pt och FeTSPc-katalysatorn på cellens prestanda sammanfattas tydligt i figur 5.5. Enligt forskarna orsakar modifieringens förbättrade aktivitet en blandning av inre kinetisk förbättring orsakad av FeTSPc:s donation av elektroner samt sterisk hindring, vilket hindrar bildandet av adsorberat CO [37].

Palladiumbaserade katalysatorer utan stöd har också varit föremål för omfattande forskning. Det har visat sig att DFAFC använder 100 % Pd som anodkatalysator. Vid omgivningstemperaturer (22 °C) och högre temperaturer (30–50 °C) uppvisade Pd-black enastående stora effektens densiteter i jämförelse med Pt-baserade katalysatorer. En typisk jämförelse för Pd-black, PdAu och PtRu finns i figur 5.6. Forskning av Ha et al. [38] visade att prestandan för DFAFC sjönk när Pd-black katalysatorns aktivitet minskade under cellens drift. Genom att använda ett starkt anodiskt potential kan dock den förlorade aktiviteten återställas till stor del.

Forskning har även använt impedansspektroskopi för att undersöka deaktivering av Pd-black i samband med oxidation av myrsyra i en DFAFC [40]. Anodens Nyquist-diagram visade ojämna bågar, vilket indikerar att flera processer påverkade impedansen. Under deaktivering observerades en förlängning av dessa bågar, vilket var kopplat till en ökande laddningstransfermotstånd. En ökning i formsyrekoncentration svarade också mot en ökning i laddningstransfermotstånd. Det spekulerades att en annan organisk förening än CO, som vanligtvis förgiftar anoden, kan ha orsakat deaktiveringsprocessen.

För Pt- och Pd-baserade katalysatorer som stöds på kolmaterial, används dessa högytmaterial ofta på grund av deras utmärkta kemiska stabilitet, elektriska ledningsförmåga och ekonomiska fördelar. Katalysatorer på kolföreningar kan möjliggöra en minskad användning av ädla metaller, vilket gör systemet mer kostnadseffektivt. Oxidationen av myrsyra på Pt/C-katalysatorer visade sig vara remarkabelt lik den på ren platina, enligt Lovic et al. [41]. Direkt dehydrogenering av HCOOH spelade en viktig roll i reaktionens dubbla mekanism, vilket också ledde till produktion av giftiga arter. Kolstödda palladiumkatalysatorer har blivit mer framträdande inom DFAFC-forskning under de senaste åren, med märkbar aktivitet, vilket gör det möjligt att använda palladium mer effektivt och reducera metallbelastningen.

Det är också viktigt att notera att de aktiverade Pd/C-katalysatorerna uppvisade minskad deaktivering, särskilt vid högre koncentrationer av myrsyra. När guld tillsattes till Pd/C-katalysatorer, ökade dess aktivitet ytterligare, som visades i studier av Larsen et al. [42]. Liu et al. [43] använde en mikrovågsassisterad polyolprocess för att skapa en Pd/C-katalysator som producerade en DFAFC med hög effekt. Prestandan för dessa system kan jämföras med traditionella metoder, och den mikrovågsbaserade metoden visade sig vara en effektivare metod för att skapa högpresterande katalysatorer för dessa typer av bränsleceller.

Hur Direct Liquid Fuel Cells (DLFC) kan revolutionera energiteknik och hur de hanterar utmaningar i bränsle och katalysatorer

Formiacsyran, till exempel, är särskilt intressant på grund av sin enkelhet i hantering och sin höga teoretiska effektivitet. Dess oxidation sker med färre mellanprodukter än etanol eller metanol, vilket gör den till ett attraktivt alternativ. En annan fördel är att formiacsyran har mycket låga överföringshastigheter, vilket betyder att den inte riskerar att "korsa över" till andra delar av systemet, vilket kan försämra cellens prestanda. På grund av dessa egenskaper har formiacsyran fått en stor uppmärksamhet inom forskning kring bränsleceller.

Trots dessa fördelar finns det fortfarande utmaningar att övervinna, särskilt när det gäller katalysatorernas effektivitet och hållbarhet. En av de största hinder är katalysatorförgiftning, främst orsakad av koldioxidmonoxid (CO). Detta kan förhindra att bränslecellen fungerar på en hög nivå. Forskning har dock lett till stora framsteg, särskilt med användning av palladium-baserade katalysatorer, som har visat sig motstå förgiftning bättre än andra alternativ. Palladium och dess legeringar har ökat effektiviteten och pålitligheten hos dessa celler, vilket gör dem till ett framtidsperspektiv för små och mellanstora energisystem.

I bränsleceller som använder hydrazin som bränsle, finns det fördelar i form av hydrazinets höga energiinnehåll och förmåga att brytas ned till kväve och väte utan att bilda koldioxid som biprodukt. Detta gör det särskilt intressant för applikationer där koldioxidfri förbränning är ett krav, till exempel i rymdteknik eller inom försvarsindustrin. Men hydrazin är också extremt giftigt och instabilt, vilket gör det mycket svårare att hantera och transportera, vilket kan begränsa dess användning i praktiken.

Direkta borohydribränsleceller (DBFC), som använder natriumborhydrid, erbjuder också betydande fördelar. Natriumborhydrid har ett högt energiinnehåll och kan hydrolyseras på plats för att producera väte, vilket gör den till ett effektivt alternativ. Men det finns också problem med vattnets parasitiska reaktioner och förslitning av elektroder. För att lösa dessa problem krävs förbättringar i elektrolytsammansättningar och ändringar i elektrodernas struktur.

DLFC:er är i många avseenden flexibla, vilket gör att de kan använda ett brett utbud av flytande bränslen. Detta gör dem till en potentiellt viktig komponent i framtida energiteknologier, där de kan användas i allt från konsumentelektronik till storskaliga industriella tillämpningar. Eftersom DLFC:er är relativt små och lämpliga för portabla system, används de ofta i enheter där kompakt och effektiv energilagring är viktig, till exempel i elektroniska apparater eller små energisystem.

För att optimera prestandan hos DLFC:er är det nödvändigt att förbättra katalysatorernas och membranens design. Effektivare reaktionskinetik, minskade förgiftningsproblem och längre livslängd för bränslecellerna är de huvudsakliga målen för den aktuella forskningen. Särskilt för katalysatorerna är det avgörande att minska förlusten av katalytisk aktivitet som orsakas av CO-adsorption på ytan av elektroderna. Platinum-baserade katalysatorer, särskilt PtRu, har visat sig vara mycket effektiva för metanoloxidationsreaktioner (MOR), och de har använts framgångsrikt i DMFC:er (Direct Methanol Fuel Cells).

För att ytterligare förbättra prestandan och motståndet mot förgiftning har forskare experimenterat med att använda legeringar av platina och andra metaller, som ruthenium (Ru) eller rhodium (Rh). Dessa legeringar kan förbättra elektrokatalytisk aktivitet och minska CO-adsorption, vilket förbättrar cellens övergripande effektivitet. Det har också genomförts framsteg med nanopartiklar av guld eller andra material som hjälper till att förbättra prestanda i både DMFC:er och DFAFC:er (Direct Formic Acid Fuel Cells).

När det gäller praktiska tillämpningar är DLFC:er lovande inte bara för bärbara elektroniska enheter utan också för större tillämpningar inom industri och fordonssektorer, där deras förmåga att arbeta med olika flytande bränslen ger dem en fördel. Med tiden, och genom kontinuerlig utveckling av katalysatorer och membranteknologi, kan DLFC:er spela en viktig roll i övergången till en mer hållbar energiframtid.

Hur direktvätskebränsleceller kan förändra framtidens energi: Möjligheter och utmaningar

Direktvätskebränsleceller (DLFC) har en stor potential att förändra hur vi använder och lagrar energi. Genom att använda vätskedrivmedel som metanol eller etanol utan behov av bränsleomvandling, öppnar DLFCs nya vägar för effektiva och hållbara energilösningar. Dessa bränsleceller erbjuder fördelar som längre driftstider och snabbare påfyllningstider, vilket gör dem särskilt användbara för både små och stora applikationer där snabb energitillförsel är avgörande.

En av de mest framträdande egenskaperna hos DLFCs är deras förmåga att tillhandahålla pålitlig och ren energi för kritiska infrastrukturer, särskilt i nödsituationer eller som reservkraftsystem. När det gäller backup-lösningar kan dessa bränsleceller minska avbrott i strömförsörjningen och säkerställa oavbrutna operationer under strömavbrott. Detta kan vara av avgörande betydelse för både samhällen och industrier som är beroende av konstant tillgång till energi för säkerhet och funktionalitet.

DLFCs har också stor potential att underlätta distribuerad energiproduktion, särskilt i avlägsna eller off-grid områden där traditionella energikällor inte är tillgängliga. Genom att leverera pålitlig energi kan dessa bränsleceller stödja intermittenta förnybara energikällor som sol- och vindkraft, vilket i sin tur bidrar till mer hållbara energilösningar. I kombination med förnybara energikällor kan DLFCs erbjuda en stabil energitillgång även i de mest utmanande miljöerna.

För mindre apparater och mikroteknik erbjuder DLFCs också lovande lösningar. Små sensorer, implantat och mikrorobotar kan alla dra nytta av den pålitliga och långvariga strömkällan som DLFCs erbjuder. Dessa små enheter kan nu ha en betydande inverkan på olika branscher, där det lilla formatet och användningen av vätskedrivmedel minskar behovet av underhåll, vilket gör dessa enheter mer effektiva och långlivade.

Trots de lovande fördelarna finns det fortfarande tekniska hinder som måste övervinnas innan DLFCs kan nå sin fulla potential. Främst handlar det om att förbättra effektiviteten, hållbarheten och kostnadseffektiviteten. Även om det finns en hoppfull framtid för denna teknik, är det avgörande att fortsatt forskning och samarbete mellan akademi och industri påskyndar utvecklingen av DLFC-teknologin. Detta samarbete är viktigt för att lösa nuvarande problem och för att påskynda implementeringen av DLFCs på marknaden.

Det är också viktigt att förstå att även om DLFCs har stor potential, kommer utvecklingen av denna teknik att kräva omfattande investeringar och långsiktigt engagemang för att övervinna de ekonomiska och tekniska utmaningarna. Bara genom att arbeta tillsammans och fokusera på forskning och utveckling kan vi förvänta oss att dessa bränsleceller blir en central del av framtidens energilandskap, som ett alternativ till traditionella energikällor.