open circuit voltage in a glucose alkaline fuel cell operated in continuous mode
DESCRIPTION
Open Circuit Voltage in a Glucose Alkaline Fuel Cell Operated in Continuous Mode. Lea Mor, Eugenia Bubis, Nissim Sabag, Zeev Rubin, Pinchas Schechner Ort Braude Academic College of Engineering. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Open Circuit Voltage in a Glucose Alkaline Fuel Cell
Operated inContinuous Mode
Lea Mor, Eugenia Bubis, Nissim Sabag, Zeev Rubin, Pinchas Schechner
Ort Braude Academic College of Engineering
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
גלוקוז כדלק
תרכובת הנפוצה ביותר בטבע•מספקת את הצרכים החיוניים לחיים:•
מזון•בזרעים המכילים עמילן•כמזון לבעלי חיים ההופך לבשר•
לבוש•צלולוז בצורת כותנה, פשתן, צלולוז אצטט•
מגן – בתים ורהיטים• צלולוז בצורת קרשי עץ•
מקור אנרגיה?•
יתרונות גלוקוז כדלק
הדלק הקדום ביותר•
זמין ונוח להפקה•
בטוח•
ידידותי לסביבה •
חסכוני•
מסיס במים )מתאים לתא דלק בטמפ' החדר(•
בעל תכולת אנרגיה גבוהה•
תכולת אנרגיה בחומרי דלק שונים
FuelEo*
[V]
n**-
H°kJ/mol
G°kJ/mol
Hydrogen1.232-285-237
Methane1.068-890-818
Methanol1.216-726-702
Octane1.1050-5471-5297
Glucose1.2324-2808-2865
Carbon (solid)
1.024-393-394
Eoתכולת אנרגיה
FuelEo
[V]
n-
H°kJ/mol
G°kJ/mol
Hydrogen1.232-285-237
Methane1.068-890-818
Methanol1.216-726-702
Octane1.1050-5471-5297
Glucose1.2324-2808-2865
Carbon (solid)
1.024-393-394
High OCV
°Gתכולת אנרגיה
FuelEo
[V]
n-
H°kJ/mol
G°kJ/mol
Hydrogen1.232-285-237
Methane1.068-890-818
Methanol1.216-726-702
Octane1.1050-5471-5297
Glucose1.2324-2808-2865
Carbon (solid)
1.024-393-394
High ∆G°
Fuel Energy Content
FuelEo
[V]
nH°kJ/mol
G°kJ/mol
Hydrogen1.232-285-237
Methane1.068-890-818
Methanol1.216-726-702
Octane1.1050-5471-5297
Glucose1.2324-2808-2865
Carbon (solid)
1.024-393-394
Negative entropy change
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
תא הדלק
• Type – AFC )Alkaline(• Membraneless• Temperature – room temperature• Electrodes – Incorporated platinum
particles• Fuel: glucose, 0.001-1.5M• Electrolyte – KOH --- pH 5-14• Manufacture - HKU
6.6 cm
1 cm
6.6 cm
HKU fuel cell
OCV dependence on [glu]
]M[
בתחום הריכוזים הגבוהים
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
Table 2: The TLC plate composition .
Lane # Operation time in the fuel cell Sample
dilution Calibration Standards
1 7 days 1:1 2 1 day 1:1 3 7 days 1:5 4 1 days 1:5
5 Glucose -monosaccharide 6 Sucrose-disaccharide
Competing reactions
Mono, di and polysaccharides
Hydrolysis of disaccharide
ecosgluecosGlu
ecosgluecosGlu
OHMaltose 2
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
OCV dependence on [glu]
]M[
בתחום הריכוזים הנמוכים
Nernst law
QlnnF
RT - E E o
Number of electrons Faraday constant
Gas constant
62
62
][][
][CO Q
OGLUCOSE
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
The continuous model.
Cin, Q
Ct, Q
Ct, v
•Co Initial cell concentration
•Cin inflow solution
concentration
•Site Bottom of the fuel cell.
•Ct outflow solution concentration, time dependent
• Site Top of the cell
•Q Constant in and out volumetric flow rate
•Stirring is assumed due to
convection
• V cell volume
Modeling the continuous mode
V , Ct
Q , C IN Q , Ct
dtQCQCVCVC intdtt )()(
מצטבריוצא – נכנס
tv
Q
inin eCCCCt
0
Integration yields:
Normalizing
R
t
inint eCCCC
0
RQ
v Residence time [min]
• At t = 0, Ct = C0, initial
concentration• At t ∞ Ct = Cin introduced solution
• If C0=Cin Ct=Cin standard flow cells
• t½ = 0.7R
tv
Q
inin eCCCCt
0shows
int CCC 02/121
Predicted concentration changes with time
for different residence times, R.
C0 = 1M; Cin = 0, v = 25 ml.
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
Model validationKOH
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
Reduced sugar calibration curvecomulative calibration curve
y = 1.301x - 0.0412
R2 = 0.9953
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 0.5 1 1.5 2 2.5
mg glucose
OD
550
nm
OD
Model validationGlucose
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
Changes of OCV with predicted glucose concentration .
• Linear glucose concentration
• Logarithmic glucose concentration
Nernst law
QlnnF
RT - E E o
Number of electrons Faraday constant
Gas constant
62
62
][][
][CO Q
OGLUCOSE
Complete glucose oxidation
C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2
ΔG0 = -2865 KJ/mol
General form of the electrochemical reaction
• Glucose oxidized product+n + ne- • Oxidizing agent + ne- reduced product –n
• Glucose + oxidizing reactant oxidized product+n + reduced product-n
Nernst Law
• OCV = E' + RT/nF ln [glu]
• Where
• and
• From the trend line: OCV = 0.576 + 0.0276 ln [glu]
• n=1, number of electrons transferred from glucose to the electrode
Qlnn
RTE'E
]reagentoxidizing[
productsQ
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
OHOHOHeO 232 22
1
ריאקציה בקתודה
eOHOHCOHOHOHC 2)()( 3712626126
ריאקציה באנודה
ריאקציה מסכמת בתא הדלק
)OHC(O21)OHC( 712626126
הריאקציות בתא הדלק
שלבי הביניים בריאקציה באנודה
OH)OHC(OH)OHC( 26116Hex6126
OHOHCOHOHC
OHOHH
HOHCeOHOHC
3712626116
32
712626116
2
____________________________________
)()(
לקבלת אנדיאולט איזומריזציה
)()( 61166116 OHCeOHCמסירת אלקטרון וקבלת רדיקל
מסירת אלקטרון ע"י המים וקבלת ח' גלוקונית
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
OCV as function of predicted KOH concentration
2322 COOHCOOH2
CO2 Solubility in water
320K
22 COHCOOH 3
K32 HCOHCOH 1
23
2K
3 COHHCO
2322 COH2COOH
The sum of equations gives:
Equilibrium constants
Equilibrium constant
Value
K03.2x10-3
K11.3x10-4 M
K24.8x10-14 M
KW10-14 M2
Effect of [KOH] on the chemical competing reactions .
מדוע גלוקוזתוצאות קודמות
ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוז
מודל רציףאימות המודל הרציף
KOHגלוקוז בריכוז הגלוקוזOCVתלות
מנגנון התהליך בתא הדלקKOH ב OCVתלות
מסקנות
מסקנותהמודל מאפשר:
מדידה בטווח רחב של ריכוזים. •
חישוב מקדים של שינוי פרופיל •.הריכוזים עם הזמן
אינו תלוי בריכוז הגלוקוז.0.3M, OCVמעל • משתנה לוגריתמית עם 0.3M, OCVמתחת •
.ריכוז הגלוקוזבריכוז גלוקוז נמוך, אלקטרון אחד מועבר •
מגלוקוז אל האנודה., ריאקציות AFCבתנאים השוררים ב-•
.כימיות מתחרות בריאקציה האלקטרוכימית
מסקנותגלוקוז
1M - 0.01 גבוהים )KOHבתחום ריכוזי •M-ה )OCV קבוע (0.8 V).
•KOH מונע את עלית ריכוז CO2.
מסקנותKOH