1. 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

2. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

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 FuelE o * [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

6. תכולת אנרגיה E o FuelE o [V] n-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

7. תכולת אנרגיה  G° FuelE o [V] n-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°

8. Fuel Energy Content FuelE o [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 Negative entropy change

9. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

10. תא הדלק Type – AFC (Alkaline) Membraneless Temperature – room temperature Electrodes – Incorporated platinum particles Fuel: glucose, 0.001-1.5MFuel: glucose Electrolyte – KOH --- pH 5-14 Manufacture - HKU

11. 6.6 cm 1 cm 6.6 cm HKU fuel cell

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

13. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

14. 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

15. Mono, di and polysaccharides

16. Hydrolysis of disaccharide

17. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

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

19. Nernst law Number of electrons Faraday constant Gas constant

20. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

22. The continuous model. C in, Q C t, Q C t, v C o Initial cell concentration C in 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

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

24. Normalizing Residence time [min]

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

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

27. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

28. Model validation KOH

29. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

30. Reduced sugar calibration curve

31. Model validation Glucose

32. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

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

34. Nernst law Number of electrons Faraday constant Gas constant

35. Complete glucose oxidation C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 ΔG 0 = -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 גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

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

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

41. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

42. OCV as function of predicted KOH concentration

43. CO2 Solubility in water The sum of equations gives: Equilibrium constants ValueEquilibrium constant 3.2x10 -3 K0K0 1.3x10 -4 MK1K1 4.8x10 -14 MK2K2 10 -14 M 2 KWKW

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

45. מדוע גלוקוז תוצאות קודמות ריכוזים גבוהים של גלוקוז ריכוזים נמוכים של גלוקוז מודל רציף אימות המודל הרציף KOH גלוקוז תלות OCV בריכוז הגלוקוז מנגנון התהליך בתא הדלק תלות OCV ב KOH מסקנות

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

47. 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. מסקנות גלוקוז

48. בתחום ריכוזי KOH גבוהים (1M - 0.01 M) ה-OCV קבוע (0.8 V). KOH מונע את עלית ריכוז CO 2. מסקנות KOH