फॉर्मिक एसिड ईंधन सेल

फॉर्मिक एसिड ईंधन सेल (प्रत्यक्ष फॉर्मिक एसिड ईंधन सेल या डीएफएएफसी) प्रत्यक्ष तरल-फ़ीड ईंधन सेल (डीएलएफसी) की एक उपश्रेणी हैं, जिसमें हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए सुधार के बजाय एनोड पर तरल ईंधन को सीधे ऑक्सीकरण (इलेक्ट्रोकेमिकल) किया जाता है। फॉर्मिक एसिड-आधारित ईंधन कोशिकाएं उच्च वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व, सैद्धांतिक ऊर्जा दक्षता और सैद्धांतिक ओपन-सर्किट वोल्टेज के संदर्भ में एक आशाजनक ऊर्जा आपूर्ति प्रणाली का प्रतिनिधित्व करती हैं। वे पारंपरिक हाइड्रोजन (एच) में निहित कुछ समस्याओं को दूर करने में भी सक्षम हैं2) फ़ीड ईंधन सेल जैसे सुरक्षित संचालन, भंडारण, और एच2 यातायात।

डीएफएएफसी के 3 मुख्य प्रकार हैं:


 * सक्रिय डीएफएएफसी, जहां एक पंप तरल ईंधन को एनोड में और ऑक्सीजन को संपीड़ित हवा में कैथोड में फ़ीड करता है।
 * सक्रिय वायु-श्वास डीएफएएफसी, जहां कैथोड परिवेशी वायु में मौजूद ऑक्सीजन के संपर्क में आता है।
 * निष्क्रिय वायु-श्वास डीएफएएफसी, जहां कोशिका में ईंधन और ऑक्सीजन इंजेक्ट करने वाले कोई यांत्रिक घटक नहीं होते हैं।

किसी सेल में ईंधन और हवा डालने से कीमत और आकार/पोर्टेबिलिटी की कीमत पर उसका ऊर्जा उत्पादन बढ़ जाता है।

आज, डीएफएएफसी के मुख्य अनुप्रयोगों में छोटे, पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा निदान उपकरण, साथ ही बड़े निश्चित बिजली अनुप्रयोग और इलेक्ट्रिक वाहन शामिल हैं।

ईंधन सोर्सिंग
एफए आमतौर पर एक मजबूत आधार की उपस्थिति में मेथनॉल के साथ सीओ की प्रतिक्रिया से उत्पन्न होता है, इसके बाद मिथाइल फॉर्मेट हाइड्रोलिसिस, फॉर्मामाइड का हाइड्रोलिसिस और फॉर्मेट लवण का एसिडोलिसिस होता है। हालाँकि, एफए को सीओ के प्रत्यक्ष विद्युतीकरण से भी स्थायी रूप से उत्पादित किया जा सकता है2, जो CO के उत्पादन के प्रभावों को बेअसर करता है2 ईंधन सेल से ही, पर्यावरणीय प्रभाव कम हो जाता है। प्रतिक्रियाएँ इस प्रकार हैं:

सीओ2 + एह++2e-→ HCOO+ (अम्लीय वातावरण में)

सीओ2 + एह++2e- → HCOOH (तटस्थ/क्षारीय वातावरण में)

डीएफएएफसी की अन्य ऊर्जा स्रोतों से तुलना
जबकि डीएलएफसी के लिए कई ईंधनों की कोशिश की गई, फॉर्मिक एसिड (एफए) ने अपनी उपयोगी विशेषताओं, जैसे उच्च वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व (53 ग्राम एच) के कारण सबसे अधिक रुचि प्राप्त की है।2/एल<रेफरी नाम=एपिंगर 188-195 > ), ओपन सर्किट वोल्टेज (1.48 V ), उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा दक्षता (58%<रेफ नाम=एपिंगर 188-195 />)। इसके अलावा, फॉर्मिक एसिड का भंडारण शुद्ध हाइड्रोजन की तुलना में आसान और सुरक्षित है, और एफए को उच्च दबाव और/या कम तापमान पर रखने की आवश्यकता नहीं है।

मेथनॉल के समान, एफए एक छोटा कार्बनिक अणु है जिसे सीधे ईंधन सेल में डाला जाता है, जो जटिल उत्प्रेरक सुधार की आवश्यकता को दूर करता है। हालाँकि, मेथनॉल की तुलना में, इसमें कम विषाक्तता, बेहतर ऑक्सीकरण कैनेटीक्स और उच्च ईंधन सेल दक्षता है, क्योंकि फॉर्मिक एसिड बहुलक झिल्ली को पार नहीं करता है। इसकी कम क्रॉस ओवर प्रवृत्ति के कारण, एफए का उपयोग मेथनॉल की तुलना में उच्च सांद्रता में किया जा सकता है, जिससे कम वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व (4.4 kWh/dm) की कमी को कम किया जा सकता है।3बनाम 2.13 kWh/dm3). कई विशेषताओं के लिए शुद्ध हाइड्रोजन कोशिकाओं, मेथनॉल कोशिकाओं और गैसोलीन के साथ डीएफएएफसी की तुलना नीचे दी गई तालिका में दी गई है:

एफए सुरक्षा चिंताएँ
85% सांद्रता में फॉर्मिक एसिड ज्वलनशील होता है, और पतला फॉर्मिक एसिड अमेरिकी खाद्य एवं औषधि प्रशासन की खाद्य योजकों की सूची में है। फॉर्मिक एसिड से मुख्य खतरा सांद्र तरल या वाष्प के साथ त्वचा या आंखों के संपर्क से होता है।

प्रतिक्रियाएँ
डीएफएएफसी ऊर्जा उत्पादन के लिए फॉर्मिक एसिड और ऑक्सीजन को कार्बन डाईऑक्साइड  और पानी में परिवर्तित करता है। उत्प्रेरक परत पर एनोड पर फॉर्मिक एसिड ऑक्सीकरण होता है। कार्बन डाइऑक्साइड बनता है और प्रोटॉन (H+) को कैथोड पर स्थित उत्प्रेरक परत पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए बहुलक झिल्ली के माध्यम से पारित किया जाता है। किसी बाहरी उपकरण को शक्ति प्रदान करने के लिए इलेक्ट्रॉनों को एनोड से कैथोड तक बाहरी सर्किट से गुजारा जाता है।

डीएफएएफसी की प्रत्यक्ष एनोड, कैथोड और नेट प्रतिक्रियाएं नीचे दी गई हैं: <रेफ नाम = मा 803-815 />


 * एनोड: HCOOH → CO2 + 2 एच++2 और−
 * और0 = -0.25V (बनाम SHE)
 * कैथोड: 1/2O2 + 2 एच++2 और−→ एच2हे
 * और0 = 1.23V (बनाम SHE)
 * शुद्ध प्रतिक्रिया: HCOOH + 1/2 O2 → सीओ2 + एच2हे
 * और0 = 1.48V (बनाम SHE)
 * शुद्ध प्रतिक्रिया: HCOOH + 1/2 O2 → सीओ2 + एच2हे
 * और0 = 1.48V (बनाम SHE)

वैकल्पिक प्रतिक्रियाशील रास्ते
जबकि उपरोक्त अनुभाग में बताई गई प्रतिक्रिया का तंत्र आमतौर पर सरल व्याख्यात्मक उद्देश्यों के लिए उपयोग किया जाता है, रासायनिक मार्ग वास्तव में अधिक जटिल हैं, और उनकी दक्षता को अनुकूलित करने के लिए डीएफएएफसी पर अधिकांश शोध के केंद्र में हैं। कुछ मार्गों के कारण होने वाले हानिकारक प्रभाव और विषाक्तता को उचित आकार और आकारिकी वाले उत्प्रेरकों, जैसे पीटी और/या पीटी मिश्र धातुओं के उपयोग से कम किया जा सकता है।

कैथोड
कैथोड पर होने वाली ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया (ओआरआर) की जांच की गई है। यह दो अलग-अलग मार्गों से हो सकता है: एक में चार इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण और दूसरे में दो। पहले परिणाम से पानी बनता है (एच2O), जबकि बाद वाला हाइड्रोजन पेरोक्साइड (H.) उत्पन्न करता है2O2). हाइड्रोजन पेरोक्साइड रेडिकल्स का झिल्ली विभाजक पर हानिकारक प्रभाव पड़ता है, और इसलिए इसके गठन से अस्थायी रूप से बचा जाना चाहिए।

एनोड
एनोड पर फॉर्मिक एसिड इलेक्ट्रोऑक्सीडेशन (एफएईओ) के तंत्र की जांच लगभग आधी सदी से बिना किसी समाधान के की जा रही है। हालांकि विवरणों पर अभी भी बहस चल रही है, एफएईओ के लिए एक तंत्र जिसमें ऑक्सीकरण तंत्र में दो समानांतर पथ शामिल हैं, आम तौर पर स्वीकार किया जाता है। प्रत्यक्ष मार्ग HCOOH की डिहाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रिया के माध्यम से होता है, जबकि अप्रत्यक्ष मार्ग निर्जलीकरण प्रतिक्रिया द्वारा एक मध्यवर्ती के रूप में अधिशोषित CO बनाने के लिए आगे बढ़ता है, जो फिर CO में ऑक्सीकृत हो जाता है।2.

सीधा मार्ग: HCOOH → सक्रिय मध्यवर्ती → CO2 + एह++2e−

अप्रत्यक्ष मार्ग: HCOOH → COads + एच2ओ → क्या2 + एह++2e−

अप्रत्यक्ष ऑक्सीकरण मार्ग निर्जलीकरण प्रतिक्रिया के माध्यम से होता है और अस्थायी रूप से विषाक्त मध्यवर्ती सीओएड बनाता है, जो ईंधन सेल की दक्षता को कम करता है।

कैथोड
कैथोड पर डीएफएएफसी उत्प्रेरक के लिए महत्वपूर्ण विशेषताएं मुख्य रूप से ओआरआर के प्रति उच्च गतिविधि और एफए के प्रति सहनशीलता हैं, ताकि संभावित एफए क्रॉस ओवर के बाद सेल की दक्षता में गिरावट को रोका जा सके। TiO जैसे मिश्रित सब्सट्रेट के शीर्ष पर पसंद की सामग्री प्लैटिनम (Pt) है2/सी और सीएनएक्स नैनोफाइबर। वैकल्पिक उत्प्रेरकों में नाइट्रोजन-डोप्ड कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) पर जमा कोबाल्ट (सीओ) और लौह (एफई) के साथ-साथ इरिडियम (आईआर) और आईआर मिश्र धातु शामिल हैं।

एनोड
प्लैटिनम (पीटी) और पैलेडियम (पीडी)-आधारित उत्प्रेरक डीएफएएफसी के लिए दो प्रमुख एनोड विकल्प हैं।

प्लैटिनम कणों की सतह आकृति विज्ञान प्रतिक्रिया पर प्रभाव डालता है, क्योंकि सीढ़ियाँ और छतें वांछनीय प्रत्यक्ष मार्ग का पक्ष लेती हैं, जबकि सपाट कणों के परिणामस्वरूप अप्रत्यक्ष (अवांछनीय) मार्ग होता है।

सामान्य तौर पर, पीडी उत्प्रेरक में सीओ सहनशीलता अधिक होती है, एफए को कार्बन डाइऑक्साइड में उत्प्रेरित करने में तेज़ होते हैं, और उनकी शक्ति घनत्व उनके पीटी समकक्षों की तुलना में अधिक होती है। उनका दोष एग्लोमेरेट्स का निर्माण और इसके कार्य का त्वरित नुकसान है।

इतिहास
पिछली जांच के दौरान, शोधकर्ताओं ने प्रयोगों द्वारा दिखाई गई उच्च क्षमता के कारण फॉर्मिक एसिड को व्यावहारिक ईंधन के रूप में खारिज कर दिया था: इसका मतलब था कि प्रतिक्रिया व्यावहारिक होना बहुत कठिन प्रतीत होती थी। हालाँकि, 2005 - 2006 में, अन्य शोधकर्ताओं (विशेष रूप से अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय में रिचर्ड मैसेल के समूह) ने पाया कि कम प्रदर्शन का कारण इसका उपयोग था उत्प्रेरक के रूप में प्लैटिनम, क्योंकि यह अधिकांश अन्य प्रकार की ईंधन कोशिकाओं में आम है। इसके बजाय दुर्ग  का उपयोग करके, वे समकक्ष प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन कोशिकाओं की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्राप्त करने का दावा करते हैं। अप्रैल 2006 तक, टेक अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय से पीईएम झिल्ली और फॉर्मिक-एसिड ईंधन का उपयोग करके डीएफएएफसी ईंधन सेल प्रौद्योगिकी के लिए विशेष लाइसेंस प्राप्त किया, और  MOTOROLA  के निवेश के साथ, 2007 के अंत तक पावर पैक डिजाइन और निर्माण करने के लिए बीएएसएफ के साथ साझेदारी कर रहा था, लेकिन ऐसा प्रतीत होता है कि विकास रुक गया है, और 24 अप्रैल, 2010 से पहले टेकियन की वेबसाइट से लगभग सभी जानकारी हटा दी गई थी।

नेह पावर सिस्टम्स, इंक. और साइलेंट फाल्कन यूएएस टेक्नोलॉजीज ने साइलेंट फाल्कन के मानव रहित हवाई प्रणाली (यूएएस), उर्फ ​​ड्रोन में फॉर्मिक एसिड रिफॉर्मर ईंधन सेल प्रौद्योगिकी को एकीकृत करने के लिए मिलकर काम किया। 2018 में, गोल्डन सिंगल-एटम-साइट प्लैटिनम उत्प्रेरक के माध्यम से उच्च क्षमता की आवश्यकता के मुद्दे को संबोधित करते हुए काम प्रकाशित किया गया था।

यह भी देखें

 * ईंधन सेल शब्दों की शब्दावली
 * पोर्टेबल ईंधन सेल अनुप्रयोग