Open Circuit Voltage in a Glucose Alkaline Fuel Cell Operated in Continuous Mode

1. 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

2. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

3. 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?

4. יתרונות גלוקוז כדלק • הדלק הקדום ביותר • זמין ונוח להפקה • בטוח • ידידותי לסביבה • חסכוני • מסיס במים (מתאים לתא דלק בטמפ' החדר) • בעל תכולת אנרגיה גבוהה

5. תכולת אנרגיה בחומרי דלק שונים

6. תכולת אנרגיה Eo HighOCV

7. תכולת אנרגיה DG° High∆G°

8. Fuel Energy Content Negative entropy change

9. מדוע גלוקוזתוצאות קודמותריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

10. 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

11. HKU fuel cell 6.6 cm 6.6 cm 1 cm

12. OCV dependence on [glu] בתחום הריכוזים הגבוהים [M]

13. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוזריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

14. Competing reactions • 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

15. Mono, di and polysaccharides

16. Hydrolysis of disaccharide

17. מדוע גלוקוזתוצאות קודמותריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

18. OCV dependence on [glu] בתחום הריכוזים הנמוכים [M]

19. Nernst law Gasconstant Faradayconstant Number of electrons

20. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

21. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

22. The continuous model. • Co Initial cell concentration • Cin inflowsolution 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 Ct, Q Ct, v Cin, Q

23. Q , C IN Q , Ct V , Ct Modeling the continuous mode יוצא – נכנס מצטבר Integration yields:

24. Normalizing Residence time [min]

25. At t = 0, Ct = C0, initial concentration At t  ∞ Ct = Cin introduced solution If C0=Cin Ct=Cin standard flow cells t½ = 0.7R shows

26. Predicted concentration changes with time for different residence times, R. C0 = 1M; Cin = 0, v = 25 ml.

27. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOHגלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

28. Model validationKOH

29. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

30. Reduced sugar calibration curve

31. Model validationGlucose

32. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

33. Changes of OCV with predicted glucose concentration. • Linear glucose concentration • Logarithmic glucose concentration

34. Nernst law Gasconstant Faradayconstant Number of electrons

35. Complete glucose oxidation C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2 ΔG0 = -2865 KJ/mol

36. 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

37. 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

38. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

39. הריאקציות בתא הדלק ריאקציה בקתודה ריאקציה באנודה ריאקציה מסכמת בתא הדלק

40. שלבי הביניים בריאקציה באנודה איזומריזציהלקבלת אנדיאולט מסירת אלקטרון וקבלת רדיקל מסירת אלקטרון ע"י המים וקבלת ח' גלוקונית

41. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

42. OCV as function of predicted KOH concentration

43. CO2 Solubility in water Equilibrium constants The sum of equations gives:

44. Effect of [KOH] on the chemical competing reactions.

45. מדוע גלוקוזתוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוזמודל רציףאימות המודל הרציףKOH גלוקוזתלות OCV בריכוז הגלוקוזמנגנון התהליך בתא הדלקתלות OCV ב KOHמסקנות

46. מסקנותהמודל מאפשר: • מדידה בטווח רחב של ריכוזים. • חישוב מקדים של שינוי פרופיל הריכוזים עם הזמן.

47. מסקנותגלוקוז • מעל 0.3M, OCV אינו תלוי בריכוז הגלוקוז. • מתחת 0.3M, OCV משתנה לוגריתמית עם ריכוז הגלוקוז. • בריכוז גלוקוז נמוך, אלקטרון אחד מועבר מגלוקוז אל האנודה. • בתנאים השוררים ב-AFC, ריאקציות כימיות מתחרות בריאקציה האלקטרוכימית.

48. מסקנותKOH • בתחום ריכוזי KOH גבוהים (1M - 0.01 M) ה-OCV קבוע (0.8 V). • KOH מונע את עלית ריכוז CO2.