质子交换膜燃料电池

燃料电池是将化学能转化为电能的装置，经常用作清洁的替代能源。

尽管汽油仍然是美国汽车的主要燃料来源，但近几十年来，人们一直在探索替代燃料来源，以减少对化石燃料的依赖，并产生更清洁的电力来源。

氢燃料电池使用清洁的氢气作为燃料，只产生水作为废物。虽然燃料电池经常被比作电池，但它们更类似于汽车发动机，因为它们不能储存能量，需要恒定的燃料来源来产生能量。因此，燃料电池的持续运行需要大量的氢气。

本视频将介绍实验室规模的水电解产生氢气，然后介绍小型氢燃料电池的运行。

氢是宇宙中最丰富的元素。在地球上，它主要存在于与其他元素的化合物中。因此，为了使用元素氢作为燃料，必须从其他化合物中提炼出来。大多数氢气是通过能源密集型甲烷重整过程产生的，该过程将氢气与甲烷气体分离。然而，这个过程非常耗能，使用化石燃料，并产生大量的废气。这会导致气候变化，还会毒害燃料电池并降低可作性。

电解水是生产清洁氢气的替代方法，即不含污染气体的氢气。在电解中，水通过电流分解成氢气和氧气。为此，将电源连接到两个由惰性金属制成的电极上。然后将电极放入水中，并施加电流。对于小规模电解，可以使用电池或小型太阳能电池板来产生足够的电流来分解水。然而，在大规模应用中，需要更高的能量密度来源。

电解反应是一种氧化还原或氧化还原反应。根据平衡的化学反应，产生的氢分子是氧分子的两倍。这种电化学反应产生的氢气可以被收集和储存起来，用作燃料电池的燃料。质子交换膜 （PEM） 燃料电池将化学能或氢气转化为电能。与电解一样，PEM 燃料电池采用氧化还原反应。氢气被输送到燃料电池组件的阳极，在那里被氧化形成质子和电子。

带正电的质子穿过质子交换膜迁移到阴极。然而，带负电的电子无法渗透膜。电子通过外部电路传播，提供电流。氧气被输送到燃料电池组件的阴极，在那里发生还原反应。在那里，氧与阳极产生的质子和电子反应，形成水。然后将水作为废物从燃料电池中去除。

现在已经解释了燃料电池作的基础知识，让我们看看实验室中的这个过程。

要开始该过程，请设置电解槽和两个气体收集瓶。用蒸馏水将外容器装满至零标记。将气体收集气瓶放入外部容器中。

接下来，使用管道将电解槽连接到气体收集瓶。使用跳线将太阳能电池板连接到电解槽。将太阳能电池板置于阳光直射的地方，以便为氢气的产生提供动力。如果没有足够的自然光，请使用灯模拟阳光。

氢气和氧气将开始进入内部气体收集气瓶。使用外气瓶上标记的刻度监测每隔 30 秒产生的每种气体的体积。

当内筒完全充满氢气时，气泡将从内筒中冒出，最终到达表面。此时，断开太阳能电池板与电解槽的连接，并关闭氢气管上的夹子，这样就不会有氢气逸出。请注意，产生的氢气是氧气的两倍，这是平衡化学方程式中预测的两倍。

要开始燃料电池运行，请将燃料电池放在工作台上。断开氢气管与电解槽的连接，并将其连接到燃料电池。所需的氧气是从空气中收集的。

将燃料电池连接到风扇或 LED 灯，以便可视化发电。松开氢气管上的束带，使气体流向燃料电池。如果风扇没有开始旋转，请按下燃料电池上的吹扫阀以促进气体流动。

风扇将继续旋转，直到所有氢气都被消耗掉。

有许多不同类型的燃料电池正在开发为清洁能源解决方案。在这里，我们介绍了三种新兴技术。

固体氧化物燃料电池 （SOFC） 是另一种类型的燃料电池，其工作原理类似于 PEM 燃料电池，只是可渗透膜被固体氧化物取代。与 PEM 燃料电池一样，SOFC 的可作性在暴露于含硫和碳的污染气体时会降低。在这个例子中，制造了 SOFC 电极，然后在硫和碳污染燃料存在下暴露在高温下的典型作环境中。

使用电化学和拉曼光谱研究电极表面中毒。结果表明，硫中毒时电流减弱，但恢复是可能的。原子力显微镜研究阐明了碳沉积物的形态，这可能导致进一步发展以防止这种中毒。

微生物燃料电池从自然界中发现的细菌中获取电流。在这个例子中，从废水处理厂获得的细菌被培养出来，并用于培养生物膜。建立了一个三电极电化学池，以便在电极表面培养细菌。生物膜在几个生长周期中通过电化学生长。

然后通过电化学测试所得生物膜的细胞外电子转移。然后，电化学结果用于了解电子转移和生物膜在微生物燃料电池中的潜在应用。

电解需要能量才能将水分解成氢气和氧气。这个过程在大规模上是能源密集型的，但可以使用太阳能电池进行小规模作。

电解的替代能源是风能。在实验室中，电解可以使用台式风力涡轮机提供动力。在本演示中，风力涡轮机使用台式风扇产生的模拟风提供动力。

您刚刚观看了 JoVE 对 PEM 燃料电池的介绍。现在，您应该了解了 PEM 燃料电池的基本工作原理以及通过电解产生氢气。感谢观看！