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

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

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 FuelE o * [V] n** -  H° kJ/mol  G° kJ/mol Hydrogen Methane Methanol Octane Glucose Carbon (solid)

תכולת אנרגיה E o FuelE o [V] n-n-  H° kJ/mol  G° kJ/mol Hydrogen Methane Methanol Octane Glucose Carbon (solid) High OCV

תכולת אנרגיה  G° FuelE o [V] n-n-  H° kJ/mol  G° kJ/mol Hydrogen Methane Methanol Octane Glucose Carbon (solid) High ∆G°

Fuel Energy Content FuelE o [V] n  H° kJ/mol  G° kJ/mol Hydrogen Methane Methanol Octane Glucose Carbon (solid) Negative entropy change

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

תא הדלק Type – AFC (Alkaline) Membraneless Temperature – room temperature Electrodes – Incorporated platinum particles Fuel: glucose, MFuel: glucose 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 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

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

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

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

Nernst law Number of electrons Faraday constant Gas constant

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

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

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

Normalizing Residence time [min]

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

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

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

Model validation KOH

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

Reduced sugar calibration curve

Model validation Glucose

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

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

Nernst law Number of electrons Faraday constant Gas constant

Complete glucose oxidation C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 ΔG 0 = 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 = ln [glu] n=1, number of electrons transferred from glucose to the electrode

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

ריאקציה בקתודה ריאקציה באנודה ריאקציה מסכמת בתא הדלק הריאקציות בתא הדלק

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

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

OCV as function of predicted KOH concentration

CO2 Solubility in water The sum of equations gives: Equilibrium constants ValueEquilibrium constant 3.2x10 -3 K0K0 1.3x10 -4 MK1K1 4.8x MK2K M 2 KWKW

Effect of [KOH] on the chemical competing reactions.

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

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

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

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