open circuit voltage in a glucose alkaline fuel cell operated in continuous mode lea mor, eugenia...

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