फॉर्मिक एसिड ईंधन सेल

फॉर्मिक अम्ल ईंधन कोशिकाएं (प्रत्यक्ष फॉर्मिक अम्ल ईंधन कोशिकाएं या DFAFCs) प्रत्यक्ष द्रवित-फ़ीड ईंधन कोशिकाएं (DLFCs) की एक उपश्रेणी हैं, जिसमें हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए सुधार के सिवाय एनोड पर तरल ईंधन को सीधे ऑक्सीकरण (विद्युत रासायनिक रूप से) किया जाता है। फॉर्मिक अम्ल-आधारित ईंधन कोशिकाएं उच्च वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व, सैद्धांतिक ऊर्जा दक्षता और सैद्धांतिक खुला-परिपथ वोल्टेज के संदर्भ में एक आशाजनक ऊर्जा आपूर्ति प्रणाली का प्रतिनिधित्व करती हैं। वे पारंपरिक हाइड्रोजन (H2) फ़ीड ईंधन कोशिकाएं में निहित कुछ समस्याओं जैसे सुरक्षित संचालन, भंडारण, और H2 परिवहन को दूर करने में भी सक्षम हैं।

DFAFCs के 3 मुख्य प्रकार हैं:


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

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

आज, DFAFCs के मुख्य अनुप्रयोगों में छोटे, वहनीय इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा निदान उपकरण, साथ ही बड़े निश्चित बिजली अनुप्रयोग और विद्युत वाहन सम्मलित हैं।

किसी भी प्रकार के PEM-आधारित ईंधन सेल के लिए, ऋणात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) को खिलाया गया ईंधन झिल्ली को धनात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) तक पहुंचा सकता है।

ईंधन स्रोत
FA समान्यता एक मजबूत आधार की उपस्थिति में मेथनॉल के साथ CO की अभिक्रिया से उत्पन्न होता है, इसके बाद मिथाइल फॉर्मेट(प्रारूप) हाइड्रोलिसिस, फॉर्मामाइड का हाइड्रोलिसिस और फॉर्मेट(प्रारूप) लवण का एसिडोलिसिस होता है। यद्यपि, FA को CO2 के प्रत्यक्ष विद्युतीकरण से भी स्थायी रूप से उत्पादित किया जा सकता है, जो ईंधन सेल से CO2 के उत्पादन के प्रभावों को बेअसर करता है जिससे, पर्यावरणीय प्रभाव कम हो जाता है। अभिक्रियाएँ इस प्रकार हैं:

CO2 + H++ 2e-→ HCOO+ (अम्लीय वातावरण में)

CO2 + H++ 2e- → HCOOH (तटस्थ/क्षारीय वातावरण में)

DFAFCs की अन्य ऊर्जा स्रोतों से तुलना
जबकि DLFCs के लिए कई ईंधनों की कोशिश की गई, फॉर्मिक अम्ल (FA) ने अपनी उपयोगी विशेषताओं, जैसे उच्च वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व (53 ग्राम H2/L) के कारण सबसे अधिक रुचि प्राप्त की है।      खुला परिपथ वोल्टेज (1.48 V ), उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा दक्षता (58%)। इसके सिवाय, फॉर्मिक अम्ल का भंडारण शुद्ध हाइड्रोजन की तुलना में आसान और सुरक्षित है, और FA को उच्च दबाव और/या कम तापमान पर रखने की आवश्यकता नहीं है।

मेथनॉल के समान, FA एक छोटा कार्बनिक अणु है जिसे सीधे ईंधन कोशिकाएं में डाला जाता है, जो जटिल उत्प्रेरक सुधार की आवश्यकता को दूर करता है। यद्यपि, मेथनॉल की तुलना में, इसमें कम विषाक्तता, बेहतर ऑक्सीकरण गतिकी और उच्च ईंधन कोशिकाएं दक्षता है, क्योंकि फॉर्मिक अम्ल बहुलक झिल्ली को पार नहीं करता है। इसकी कम पारगमन की प्रवृत्ति के कारण, FA का उपयोग मेथनॉल की तुलना में उच्च सांद्रता में किया जा सकता है, जिससे कम वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व (4.4 kWh/dm3 बनाम 2.13 kWh/dm3) की कमी को कम किया जा सकता है।.

कई विशेषताओं के लिए शुद्ध हाइड्रोजन कोशिकाओं, मेथनॉल कोशिकाओं और गैसोलीन के साथ DFAFCs की तुलना नीचे दी गई तालिका में दी गई है:

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

अभिक्रियाएँ
DFAFCs ऊर्जा उत्पादन के लिए फॉर्मिक अम्ल और ऑक्सीजन को कार्बन डाईऑक्साइड  और जल में परिवर्तित करता है। उत्प्रेरक परत पर एनोड पर फॉर्मिक अम्ल ऑक्सीकरण होता है। कार्बन डाइऑक्साइड बनता है और कैथोड पर स्थित उत्प्रेरक परत पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए प्रोटॉन(H+) को बहुलक झिल्ली से गुजारा जाता है। किसी बाहरी उपकरण को शक्ति प्रदान करने के लिए इलेक्ट्रॉनों को एनोड से कैथोड तक बाहरी परिपथ से गुजारा जाता है।

DFAFCs की प्रत्यक्ष एनोड, कैथोड और शुद्ध अभिक्रियाए नीचे दी गई हैं:


 * एनोड: HCOOH → CO2 + 2 H++2 e−
 * E0 = -0.25V (बनाम SHE)
 * कैथोड: 1/2O2 + 2 H++2 e−→ H2O
 * E0 = 1.23V (बनाम SHE)
 * शुद्ध अभिक्रिया: HCOOH + 1/2 O2 → CO2 + H2O
 * E0 = 1.48V (बनाम SHE)
 * शुद्ध अभिक्रिया: HCOOH + 1/2 O2 → CO2 + H2O
 * E0 = 1.48V (बनाम SHE)

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

कैथोड
कैथोड पर होने वाली ऑक्सीजन कमी अभिक्रिया (ORR) की जांच की गई है। यह दो अलग-अलग मार्गों से हो सकता है: एक में चार इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण और दूसरे में दो का। पहले परिणाम से जल(H2O) बनता है, जबकि बाद वाला हाइड्रोजन पेरोक्साइड (H2O2) उत्पन्न होता है | हाइड्रोजन पेरोक्साइड कट्टरपंथी का झिल्ली विभाजक पर हानिकारक प्रभाव पड़ता है, और इसलिए इसके गठन से अस्थायी रूप से बचा जाना चाहिए।

एनोड
एनोड पर फॉर्मिक अम्ल विद्युत ऑक्सीकरण (FAEO) के तंत्र की जांच लगभग आधी सदी से बिना किसी संकल्प के की जा रही है। यद्यपि विवरणों पर अभी भी बहस चल रही है, FAEO के लिए एक तंत्र जिसमें ऑक्सीकरण तंत्र में दो समानांतर पथ सम्मलित हैं, समान्यता स्वीकार किया जाता है। प्रत्यक्ष मार्ग HCOOH की निर्जलीकरण अभिक्रिया के माध्यम से होता है, जबकि अप्रत्यक्ष मार्ग निर्जलीकरण अभिक्रिया द्वारा एक मध्यवर्ती के रूप में अधिशोषित CO बनाने के लिए आगे बढ़ता है, जो फिर CO2 में ऑक्सीकृत हो जाता है।.

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

अप्रत्यक्ष मार्ग: HCOOH → COads + H2O → CO2 + 2H++2e−

अप्रत्यक्ष ऑक्सीकरण मार्ग निर्जलीकरण अभिक्रिया के माध्यम से होता है और अस्थायी रूप से विषाक्त मध्यवर्ती COads के लिए होता है, जो ईंधन कोशिकाएं की दक्षता को कम करता है।

कैथोड
कैथोड पर DFAFC उत्प्रेरक के लिए महत्वपूर्ण विशेषताएं मुख्य रूप से ORR के प्रति उच्च गतिविधि और FA के प्रति सहनशीलता हैं, ताकि संभावित FA बदलने के बाद कोशिकाएं की दक्षता में गिरावट को रोका जा सके। TiO2/C और CNx नैनोफाइबर जैसे मिश्रित सब्सट्रेट के शीर्ष पर पसंद की सामग्री प्लैटिनम (Pt) है। वैकल्पिक उत्प्रेरकों में नाइट्रोजन-मिश्रित कार्बन नैनोट्यूब (CNTs) पर जमा कोबाल्ट (CO) और लौह (Fe) के साथ-साथ इरिडियम (Ir) और Ir मिश्र धातु सम्मलित हैं।

एनोड
प्लैटिनम (Pt) और पैलेडियम (Pd)-आधारित उत्प्रेरक DFAFCs के लिए दो प्रमुख एनोड विकल्प हैं।

प्लैटिनम कणों की सतह आकृति विज्ञान अभिक्रिया 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 CO सहनशीलता अधिक होती है, FA को कार्बन डाइऑक्साइड में उत्प्रेरित करने में तेज़ होते हैं, और उनकी शक्ति घनत्व उनके Pt 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 अम्ल को व्यावहारिक ईंधन के रूप में खारिज कर दिया था: इसका मतलब था कि अभिक्रिया व्यावहारिक होना बहुत कठिन प्रतीत होती थी। यद्यपि, 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 उत्प्रेरक के रूप में प्लैटिनम का उपयोग था, क्योंकि यह अधिकांश अन्य प्रकार की ईंधन कोशिकाओं में समान्य है।

इसके सिवाय पैलेडियम(दुर्ग) का उपयोग करके, वे समकक्ष प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन कोशिकाओं की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्राप्त करने का दावा करते हैं। अप्रैल 2006 तक, टेकियन के पास अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय से PEM झिल्ली और फॉर्मिक-अम्ल ईंधन का उपयोग करके DFAFCs ईंधन कोशिकाएं प्रौद्योगिकी के लिए विशेष लाइसेंस प्राप्त किया, और  मोटोरोला के निवेश के साथ, 2007 के अंत तक पावर पैक डिजाइन और निर्माण करने के लिए BASF 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 प्रणाली, इंक(Inc). और साइलेंट फाल्कन UAS टेक्नोलॉजीज ने साइलेंट फाल्कन के मानव रहित हवाई प्रणाली (UAS), उर्फ ​​ड्रोन में फॉर्मिक अम्ल सुधारक ईंधन कोशिकाएं प्रौद्योगिकी को एकीकृत करने के लिए मिलकर काम किया।

2018 में, स्वर्णिम एकल-परमाणु-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 कोशिकाएं शब्दों की शब्दावली
 * वहनीय ईंधन कोशिका के अनुप्रयोग