Pilas de combustible de membrana de intercambio protónico

Proton Exchange Membrane Fuel Cells

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Proton Exchange Membrane Fuel Cells

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09:40 min

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February 23, 2015

Overview

Fuente: Laboratorios de Margaret obrero y Kimberly Frye – Universidad de Depaul

Estados Unidos consume una gran cantidad de energía – el tipo actual es aproximadamente 97500 trillones BTUs anualmente. La gran mayoría (90%) de esta energía proviene de fuentes de combustible no renovable. Esta energía se utiliza para la electricidad (39%), transporte (28%), industria (22%) y residencial/comercial (11%). Como el mundo tiene una cantidad limitada de estas fuentes no renovables, los Estados Unidos (entre otros) es expandir el uso de fuentes de energía renovables para satisfacer las necesidades de energía en el futuro. Una de estas fuentes es el hidrógeno.

Hidrógeno se considera una fuente potencial de combustible renovable, porque cumple varios criterios importantes: está disponible nacionalmente, tiene pocos contaminantes nocivos, la eficiencia energética y de fácil aprovechamiento. Mientras que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, sólo se encuentra en forma compuesta en la tierra. Por ejemplo, se combina con el oxígeno en el agua como H₂O. Para ser útil como un combustible, debe ser en forma de gas de₂ H. Por lo tanto, si el hidrógeno va a usarse como combustible para los coches u otros aparatos electrónicos, H₂debe hacerse primero. Thusly, hidrógeno es a menudo llamado un “portador de energía” en lugar de un “combustible”.

Actualmente, la manera más popular para hacer₂ H del gas es de los combustibles fósiles, a través de reformado con vapor de hidrocarburos o de gasificación de carbón. Esto no reduce la dependencia de combustibles fósiles y energía intensivo. Un método menos usado es por electrólisis del agua. Esto también requiere una fuente de energía, pero puede ser una fuente renovable, como el viento o energía solar. En la electrólisis, agua (H₂O) se divide en sus componentes, el hidrógeno (H₂) y gas de oxígeno (O₂), a través de una reacción electroquímica. El gas de hidrógeno hizo través del proceso de electrólisis se puede utilizar entonces en una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), generando una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica puede usarse para alimentar motores, luces y otros dispositivos eléctricos.

Principles

Parte I de este experimento consiste en la generación de hidrógeno mediante electrólisis. En la electrólisis, el agua se divide en sus componentes, hidrógeno y oxígeno, a través de la siguiente reacción electroquímica:

2 H₂O_(l) → 2 H_2.g + O_2.g

Hay dos veces más moléculas de hidrógeno producidas como moléculas de oxígeno. Esta reacción no ocurre espontáneamente y necesita una fuente de energía eléctrica, por ejemplo, un panel solar. Se trata de una reacción de oxidación-reducción. Estos tipos de reacciones químicas pueden dividirse en dos partes: la reacción de oxidación y la reacción de reducción. Estas se llaman reacciones de media. En la media-reacción de oxidación, se liberan electrones. De la reducción media de reacción, se aceptan electrones.

Oxidación: 2 H₂O_(l) → O_2.g + 4 H⁺_(aq) + 4 e^–
Reducción: 4 H⁺_(aq) + 4 e^– → 2 H_2.g

El gas de hidrógeno puede ser recogido y almacenado para su uso en un momento posterior en una celda de combustible (PEM) (figura 1).

Segunda parte de este experimento consiste en utilizar el gas de hidrógeno almacenado como combustible para producir electricidad para alimentar un ventilador. La célula de combustible utilizada en este experimento es una celda de combustible PEM. La celda de combustible PEM es como una batería que genera electricidad mediante una reacción química que consiste en la transferencia de electrones. En la celda de combustible PEM, las reacciones del medio son los siguientes:

Oxidación: H 2_2.g → 4 H⁺_(aq) + 4 e^–
Reducción: 4 H⁺_(aq) + oh_2.g + 4 e^– → 2 H₂O_(l)

La reacción global es: H 2_2.g + O_2.g → 2 H₂O_(l) + energía

Estas medias-reacciones ocurren en los electrodos (conductores a través del cual pasa electricidad). En la celda de combustible PEM, hay dos electrodos: un ánodo y un cátodo. La oxidación ocurre en el ánodo. Reducción se produce en el cátodo. Así, en la celda de combustible PEM en el ánodo, el hidrógeno es oxidado y se liberan electrones en el circuito. En el cátodo, gas de oxígeno se reduce y se forma agua. En la celda de combustible PEM, una membrana de intercambio de protones se separa los dos electrodos. Esta membrana permite que los protones (H⁺) fluya a través, pero electrones impide la membrana. Así los electrones se ven forzados a fluir por el circuito eléctrico (figura 2).

Figura 1: Esquema de un electrolizador.

Figura 2: Pila de combustible PEM.

Procedure

1. usando el electrolizador para producir Gas de hidrógeno

Configurar el electrolizador (figura 3).
Configurar las botellas de colección de gas, asegurándose de que el nivel de agua destilado en el cilindro exterior está en la marca 0 (figura 4).
Conectar el electrolizador a las botellas de colección de gas (figura 5).
Conectar un panel solar para el electrolizador mediante hilos puente y exponga a la luz directa sol (figura 6). Nota, si el tiempo no coopera ese día, use una lámpara con una bombilla de luz para simular el sol.
H₂ y O₂ gas comienza a entrar en los cilindros interiores (figura 7). Monitor el volumen de cada gas se produce en intervalos de 30 s, usando la escala marcada en el cilindro exterior. Tarda aproximadamente 10 minutos para llenar el cilindro interior con gas de₂ H.
Cuando el cilindro interior está completamente lleno de gas de₂ H, algunas burbujas deben surgir desde el cilindro interno, eventualmente alcanza la superficie. En este momento, desconecte el panel solar del electrolizador y cierre a la faja en el tubo de gas de₂ H, de manera que ninguna de la₂ H del gas se escapa. Aviso que es dos veces más producir gas hidrógeno como gas de oxígeno, como es predicho en la ecuación química balanceada.

2. pila de combustible

Configuración de una celda de combustible (figura 8).
Desconecte el tubo de gas de₂ H desde el electrolizador y conectarlo a la pila de combustible.
Conectar la pila de combustible a un ventilador (o una luz de LED, si un ventilador no está disponible (figura 9)) y suelte la cincha en el tubo de gas de₂ H (figura 10). El ventilador debe empezar a girar. Si no es así, presione la válvula de purga en la pila de combustible para obtener el gas que fluye.
El ventilador sigue girando hasta que se consume todo el gas de₂ H. Esto debe durar aproximadamente 5 minutos.

Figura 3: Una imagen del electrolizador.

Figura 4: Botellas de colección de Gas con niveles del agua destilados iguales a 0.

Figura 5: Una foto del electrolizador conectado a las botellas de colección de gas.

Figura 6: El panel solar conectado al electrolizador con cables de puente.

Figura 7: Ejemplo del gas en los cilindros.

Figura 8: Una imagen de una pila de combustible.

Figura 9: La pila de combustible conectado a una luz de LED en lugar de un ventilador.

Figura 10: El electrolizador conectado con la pila de combustible, que está conectada con el ventilador.

Las pilas de combustible son dispositivos que transforman energía química a energía eléctrica y se utilizan con frecuencia como fuente de energía limpia y alternativa.

Aunque la gasolina sigue siendo la fuente principal combustible para los vehículos en los Estados Unidos, fuentes alternativas de combustible han sido exploradas en las últimas décadas con el fin de disminuir la dependencia de combustibles fósiles y generar las fuentes de energía limpia.

Las pilas de hidrógeno utilizan hidrógeno limpio como combustible y produce sólo agua como residuo. Aunque a menudo se comparan a las baterías, las pilas de combustible son más similares a los motores de automóvil, ya que no pueden almacenar energía y requieren una fuente constante de combustible para producir energía. Como resultado, una cantidad significativa de hidrógeno es necesaria para la operación de celdas de combustible constante.

Este video presenta electrólisis a escala de laboratorio del agua para producir hidrógeno gas, seguido por el funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno en pequeña escala.

Hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. En la tierra, se encuentra principalmente en compuestos con otros elementos. Por lo tanto, para poder utilizar elemental hidrógeno como combustible, debe ser refinado de otros compuestos. Más el gas de hidrógeno se produce con el proceso de reformado de metano de alto consumo energético, que aísla el hidrógeno a partir de gas metano. Sin embargo, este proceso es muy intensivo de energía, utiliza los combustibles fósiles y produce cantidades significativas de gases residuales. Esto contribuye al cambio climático y también envenena a las células de combustible y disminuye la operabilidad.

La electrólisis del agua es un método alternativo para producir gas de hidrógeno limpio, hidrógeno significa que está libre de gases contaminantes. En la electrólisis, el agua se divide en gas hidrógeno y oxígeno, utilizando una corriente eléctrica. Para ello, una fuente de alimentación eléctrica está conectada a dos electrodos, que están hechos de un metal inerte. Los electrodos se colocan en el agua y la corriente eléctrica aplicada. Para electrólisis en pequeña escala, puede utilizarse una batería o un panel solar pequeño para generar la corriente suficiente para dividir el agua. Sin embargo en aplicaciones a gran escala, se requieren fuentes de densidad de energía mayor.

La reacción de electrólisis es una reacción de oxidación-reducción o redox. Hay dos veces más moléculas de hidrógeno producidas como moléculas de oxígeno, según la reacción química balanceada. El gas de hidrógeno generado por esta reacción electroquímica puede ser recogido y almacenado para su uso como combustible en una celda de combustible. Una membrana de intercambio de protones, o PEM, pila transforma energía química, o hidrógeno a energía eléctrica. Como con la electrólisis, la pila de combustible PEM emplea una reacción redox. El gas de hidrógeno se entrega al ánodo de la pila de combustible de Asamblea, donde se oxida para formar protones y electrones.

Los protones de carga positiva migran a través de la membrana de intercambio de protones, al cátodo. Sin embargo, los electrones negativamente cargados son incapaces de penetrar la membrana. Los electrones viajan a través de un circuito externo, proporcionando corriente eléctrica. Gas oxígeno se suministra al cátodo de la pila de combustible de Asamblea, donde se produce la reacción de reducción. Allí, el oxígeno reacciona con los protones y electrones generados en el ánodo, para formar agua. El agua entonces se quita de la pila de combustible como residuos.

Ahora que se han explicado los fundamentos de la operación de celdas de combustible, vamos a ver este proceso en el laboratorio.

Para comenzar el procedimiento, configurar el electrolizador y las botellas de colección de dos gas. Llene los envases exteriores con agua destilada hasta la marca de cero. Coloque las botellas de colección de gas en los recipientes exteriores.

A continuación, conecte el electrolizador a las botellas de colección de gas con tubería. Conectar un panel solar para el electrolizador mediante hilos puente. Coloque el panel solar en luz directa sol para la producción de gas de hidrógeno de la energía. Si no hay suficiente luz natural, simular usando una lámpara de la luz del sol.

Gas hidrógeno y oxígeno empezará a entrar en las botellas de colección de gas interno. Monitor el volumen de cada gas se produce en intervalos de 30 s, usando la escala marcada en el cilindro exterior.

Cuando el cilindro interior está completamente lleno de gas hidrógeno, burbujas emergerán del cilindro interno, eventualmente alcanza la superficie. En este momento, desconecte el panel solar del electrolizador y cierre a la faja en el tubo de gas de hidrógeno, de manera que ninguno de los gases de hidrógeno escapa. Nota allí es dos veces más producir gas hidrógeno como gas de oxígeno, como es predicho en la ecuación química balanceada.

Para iniciar la operación de celdas de combustible, coloque la pila de combustible en la mesa. Desconecte el tubo de gas de hidrógeno del electrolizador y conectarlo a la pila de combustible. Se recoge el oxígeno necesario del aire.

Conectar la pila de combustible a un ventilador o una luz para visualizar la generación de energía. Soltar la cincha en el tubo de gas de hidrógeno para permitir el flujo del gas a la pila de combustible. Si el ventilador comienza a girar, presione la válvula de purga en la pila de combustible para fomentar el flujo de gas.

El ventilador continuará a girar hasta que se consume todo el gas de hidrógeno.

Hay muchos tipos diferentes de células de combustible que están siendo desarrollados como soluciones de energía limpia. Aquí presentamos tres tecnologías emergentes.

Las células de combustible de óxido sólido SOFC, es otro tipo de célula de combustible, que funcionan de manera similar a una celda de combustible PEM, salvo la membrana permeable se sustituye por un óxido sólido. Como con pilas de combustible PEM, operabilidad disminución de SOFC con la exposición a contaminantes de gases que contienen azufre y carbono. En este ejemplo, electrodos SOFC fueron fabricados y expuestos a funcionamiento típico entornos a alta temperatura en presencia de azufre y carbono contaminación combustible.

Electrodo superficial envenenamiento fue estudiado usando electroquímica y espectroscopía Raman. Los resultados mostraron que corriente fue disminuida al azufre, envenenamiento, pero que la recuperación era posible. Estudios de microscopía de fuerza atómica dilucidar la morfología de los depósitos de carbón, que puede llevar a desarrollo para prevenir la intoxicación.

Una célula de combustible microbiana deriva corriente de bacterias que se encuentran en la naturaleza. En este ejemplo, bacterias de plantas de tratamiento de aguas residuales fueron cultivadas y solía cultura biofilms. Una celda electroquímica de tres electrodos se creó, en orden para cultivar bacterias en la superficie de un electrodo. El biofilm se cultivaba electroquímicamente en varios ciclos de crecimiento.

El biofilm resultante fue probado luego por transferencia de electrones extracelular electroquímicamente. Luego se utilizaron los resultados electroquímicos para entender la transferencia de electrones y la aplicación de la biopelícula las células de combustible microbianas.

Electrólisis requiere energía para romper el agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso es energía intensiva en gran escala, pero puede usarse en pequeña escala utilizando una célula solar.

Una fuente alternativa de energía para la electrólisis es la energía eólica. En el laboratorio, la electrólisis puede ser alimentada con una turbina de viento-escala. En esta demostración, fue impulsado el aerogenerador con viento simulado generado por un ventilador de mesa.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la celda de combustible PEM. Ahora debe comprender el funcionamiento básico de una celda de combustible PEM y la generación de hidrógeno mediante electrólisis. ¡Gracias por ver!

Results

Durante el procedimiento de electrólisis, gas hidrógeno y oxígeno se generan una vez que el panel solar está conectado y expuesto a la luz solar. Tarda aproximadamente 10 min para generar suficiente gas de₂ H para llenar el cilindro interno (tabla 1). Tenga en cuenta que hay dos veces más H₂ generado como O₂, como se ve en la ecuación balanceada:

2 H₂O_(l) → 2 H_2.g + O_2.g

Una vez que se genera el gas de₂ H y la tubería está conectada a la pila de combustible, la célula de combustible genera electricidad y hace que el ventilador a girar. Esto dura aproximadamente 10 minutos en un cilindro lleno de gas de₂ H.

Tiempo (s)	Hidrógeno generado (mL)	Oxígeno que genera (mL)
0	0	0
30	4	2
60	8	4
90	10	6
120	12	6
150	14	6
180	14	8
210	16	8
240	18	8
270	20	10
300	22	10
330	22	10
360	24	12
390	24	12
420	26	12
450	26	14
480	28	14
510	28	14
540	28	14
570	30	16
600	30	16

Tabla 1: Tiempo requerido para la generación de hidrógeno diferentes y las cantidades de oxígeno

Applications and Summary

Hidrógeno es un combustible flexible. Puede ser producido in situ en pequeñas cantidades para uso local o en grandes cantidades en una instalación centralizada. Entonces, el hidrógeno puede utilizarse para producir electricidad con sólo agua como subproducto (siempre que una fuente renovable de energía, como una turbina de viento, se utilizó para generar el gas hidrógeno). Por ejemplo, en Boulder, Colorado, el proyecto de Wind2H2 tiene turbinas eólicas y paneles solares conectados a electrolizadores que producen hidrógeno gas de agua y luego almacena para ser utilizado en su estación de combustible de hidrógeno.

Este proceso también puede utilizarse para hacer los coches funcionan en el gas de hidrógeno (H₂) en lugar de combustibles fósiles. Si una celda de combustible PEM está instalada en un coche, la electricidad puede utilizarse para que el motor funcione. El único escape sería agua (H₂O). Desde una perspectiva de la contaminación del aire, esto es una ventaja. Hay muchos coches de pila de combustible de prototipo está siendo desarrollados por los fabricantes de automóviles importantes. Debido a la cantidad de espacio necesario para almacenar los tanques de hidrógeno comprimido en un vehículo actualmente, las pilas de hidrógeno se ven principalmente en los autobuses. Autobuses de pila de combustible pueden encontrarse en varios países alrededor del mundo. Hay algunos problemas tecnológicos que deben abordarse antes de coches de pila de combustible son una alternativa viable a los coches de motor de combustión interna incluyendo el suministro de más infraestructura, reducción de costos y un mayor uso de fuentes de energía renovables al hacer₂ H del gas.

Además, las células de combustible de hidrógeno puede usarse en lugar de baterías para cosas como cámaras de vídeo y radio. Un ejemplo es el dispositivo de la UPP, que es un paquete de energía portátil basado en tecnología de celdas de combustible de hidrógeno que puede utilizar para cargar dispositivos compatibles con USB.

Transcript

Fuel cells are devices that transform chemical energy to electrical energy, and are frequently used as a clean, alternative energy source.

Although gasoline is still the primary fuel source for vehicles in the US, alternative fuel sources have been explored in recent decades in order to decrease dependence on fossil fuels, and generate cleaner sources of power.

Hydrogen fuel cells utilize clean hydrogen as fuel, and produce only water as waste. Though they are often compared to batteries, fuel cells are more similar to automobile engines, as they cannot store energy and require a constant source of fuel in order to produce energy. As a result, a significant amount of hydrogen is needed for constant fuel cell operation.

This video will introduce laboratory-scale electrolysis of water to produce hydrogen gas, followed by the operation of a small-scale hydrogen fuel cell.

Hydrogen is the most abundant element in the universe. On Earth, it is primarily found in compounds with other elements. Therefore, in order to use elemental hydrogen as a fuel, it must be refined from other compounds. Most hydrogen gas is produced through the energy-intensive methane reforming process, which isolates hydrogen from methane gas. However, this process is extremely energy intensive, utilizes fossil fuels, and results in significant quantities of waste gases. This contributes to climate change, and also poisons fuel cells and diminishes operability.

The electrolysis of water is an alternative method for producing clean hydrogen gas, meaning hydrogen that is free of contaminant gases. In electrolysis, water is split into hydrogen and oxygen gas, using an electric current. To do this, an electrical power source is connected to two electrodes, which are made of an inert metal. The electrodes are then placed into the water, and electrical current applied. For small-scale electrolysis, a battery or small solar panel can be used to generate enough current to split water. However in large-scale applications, higher energy-density sources are required.

The electrolysis reaction is an oxidation-reduction, or redox, reaction. There are twice as many hydrogen molecules produced as oxygen molecules, according to the balanced chemical reaction. The hydrogen gas generated from this electrochemical reaction can be collected and stored for use as fuel in a fuel cell. A proton exchange membrane, or PEM, fuel cell transforms chemical energy, or hydrogen gas, to electrical energy. As with electrolysis, the PEM fuel cell employs a redox reaction. Hydrogen gas is delivered to the anode of the fuel cell assembly, where it is oxidized to form protons and electrons.

The positively charged protons migrate across the proton exchange membrane, to the cathode. However, the negatively charged electrons are unable to permeate the membrane. The electrons travel through an external circuit, providing electrical current. Oxygen gas is delivered to the cathode of the fuel cell assembly, where the reduction reaction occurs. There, the oxygen reacts with the protons and electrons that were generated at the anode, to form water. The water is then removed from the fuel cell as waste.

Now that the basics of fuel cell operation have been explained, let’s look at this process in the laboratory.

To begin the procedure, setup the electrolyzer and the two gas collection cylinders. Fill the outer containers with distilled water to the zero mark. Place the gas collection cylinders in the outer containers.

Next, connect the electrolyzer to the gas collection cylinders using tubing. Connect a solar panel to the electrolyzer using jumper wires. Place the solar panel in direct sunlight in order to power the production of hydrogen gas. If there is not enough natural light, simulate sunlight using a lamp.

Hydrogen and oxygen gas will begin entering the inner gas collection cylinders. Monitor the volume of each gas produced in 30-s intervals, using the scale marked on the outer cylinder.

When the inner cylinder is completely full of hydrogen gas, bubbles will emerge from the inner cylinder, eventually reaching the surface. At this point, disconnect the solar panel from the electrolyzer and close the cincher on the hydrogen gas tube, so none of the hydrogen gas escapes. Note there is twice as much hydrogen gas produced as oxygen gas, as predicted in the balanced chemical equation.

To begin fuel cell operation, set the fuel cell on the bench top. Disconnect the hydrogen gas tubing from the electrolyzer and connect it to the fuel cell. The oxygen required is collected from the air.

Connect the fuel cell to a fan or LED light in order to visualize power generation. Release the cinch on the hydrogen gas tube to enable gas flow to the fuel cell. If the fan does not begin spinning, press the purge valve on the fuel cell to encourage gas flow.

The fan will continue to spin until all of the hydrogen gas is consumed.

There are many different types of fuel cells that are being developed as clean energy solutions. Here we present three emerging technologies.

Solid oxide fuel cells, or SOFC’s, are another type of fuel cell, which operate similarly to a PEM fuel cell, except the permeable membrane is replaced with a solid oxide. As with PEM fuel cells, operability of SOFC’s decrease upon exposure to contaminant gases containing sulfur and carbon. In this example, SOFC electrodes were fabricated, and then exposed to typical operating environments at high temperature in the presence of sulfur and carbon contaminated fuel.

Electrode surface poisoning was studied using electrochemistry and Raman spectroscopy. The results showed that current was diminished upon sulfur poisoning, but that recovery was possible. Atomic force microscopy studies elucidated the morphology of carbon deposits, which may lead to further development to prevent this poisoning.

A microbial fuel cell derives electrical current from bacteria found in nature. In this example, bacteria acquired from wastewater treatment plants were grown, and used to culture biofilms. A three electrode electrochemical cell was set up, in order to culture bacteria on the surface of an electrode. The biofilm was grown electrochemically in several growth cycles.

The resulting biofilm was then tested for extracellular electron transfer electrochemically. The electrochemical results were then used to understand electron transfer and the potential application of the biofilm to microbial fuel cells.

Electrolysis requires energy to break water into hydrogen and oxygen. This process is energy intensive on the large scale, but can be operated on the small scale using a solar cell.

An alternative energy source for electrolysis is wind power. In the laboratory, electrolysis can be powered with a bench-scale wind turbine. In this demonstration, the wind turbine was powered using simulated wind generated by a tabletop fan.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the PEM fuel cell. You should now understand the basic operation of a PEM fuel cell and the generation of hydrogen gas via electrolysis. Thanks for watching!

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