マーガレット職人とキンバリー ・ フライ – デュポール大学のソース: 研究所
米国は、大量のエネルギーを消費する-現在のレートは年間約 9 京 7500 兆 btu 単位。このエネルギーの大半 (90%) は非再生可能燃料の源から来る。このエネルギーは電気 (39%) の使用、住宅/商業、産業 (22%)、交通機関 (28%) 使用 (11%)。世界は、これらの非再生可能エネルギー源の限られた供給は、(その他) の中でアメリカ合衆国は将来のエネルギー ニーズに合わせて再生可能エネルギー源の利用を拡大しています。これらの源の一つは水素です。
それは多くの重要な基準を満たしているので、水素が潜在的な再生可能な燃料源と見なされます: 国内利用可能だ、それは、いくつかの有害な汚染物質、エネルギー効率、およびそれの簡単なハーネスします。水素は宇宙で最も豊富な要素が、唯一地球上で複合形式であります。H2o. として水の酸素と組み合わせるなど、燃料として役に立つには、それは、H2ガスの形でする必要があります。したがって、水素車または他の電子機器の燃料として使用する場合は、H2は最初にされる必要があります。Thusly、水素と呼ばれます「エネルギー キャリア」ではなく、「燃料」です。
現在、H2ガスを作る最も人気のある方法は、炭化水素や石炭ガスの水蒸気改質反応によって、化石燃料からです。これは化石燃料への依存を減らさないし、エネルギー集中であります。水の電気分解は使用頻度の低い方法です。これも、エネルギー源が必要ですが、それは風や太陽光発電などの再生可能エネルギー源をすることができます。電解で、水 (H2O) は、電気化学的反応により水素ガス (H2) と酸素 (O2)、その部品に分割されます。電解プロセスを通じて行われた水素ガスは、プロトン交換膜 (PEM) 燃料電池で、電気電流を生成する使用できます。この電流は、モーター、ライト、およびその他の電気機器の電源を使用できます。
電気分解による水素ガスの発生は、この実験の一部です。電解で、水は、水素と酸素、次の電気化学反応を通じてその部品に分かれています。
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
倍の水素分子が酸素分子として生産があります。この反応は自発的に起こらないし、電気エネルギー、例えば、ソーラー パネルのソースを必要があります。これは、酸化還元反応です。化学反応のこれらのタイプは、2 つの部分に分割できます: 酸化反応と還元反応。半反応と呼びます。半反応酸化で電子が解放されます。還元半反応、電子を承ります。
酸化: 2 H2O(l) → O2(g) +(aq) 4 H++ 4 e–
低減: 4 H+(aq) + 4 e– → 2 H2(g)
水素ガスを収集し、(PEM) 燃料電池 (図 1) の後で使用するため保存することができます。
この実験の一部 II は、ファンの電源に電気を生成する燃料として水素吸蔵ガスを使用して含まれます。この実験で使用されている燃料電池は、PEM 燃料電池です。PEM 燃料電池は、バッテリーのような電子の移動は、化学反応によって電気を作成することです。PEM 燃料電池内の半分の反作用は次のとおりです。
酸化: 2 H2(g) → 4 H+(aq) + 4 e–
4 e– → 2 H2O(l) + O2(g) 4 H+(aq)低減:
全体的な反応は: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + エネルギー
これらの半反応の電極で発生する (通過する電気伝導体)。PEM 燃料電池では、2 つの電極: アノード及びカソード。酸化反応は、陽極で発生します。削減は、陰極で発生します。だから、陽極で PEM 燃料電池で水素ガスが酸化され、回路に電子が放出されます。陰極に酸素ガスが軽減され、水が形成されます。PEM の燃料電池のプロトン交換膜は 2 つの電極を分離します。この膜はプロトン (H+)、流れることをできますが、電子が細胞膜に入るを防ぎます。従って電子は、通過する電気回路 (図 2) が余儀なくされます。
図 1: 図作り出します。
図 2: PEM 燃料電池。
1. 水素ガスを生成するのにこの電解槽を使用
2. 燃料電池
図 3: この電解槽の画像。
図 4: コレクション ガスボンベ蒸留水位が 0 に等しい。
図 5: この電解槽の画像コレクション ガスボンベに接続されています。
図 6: 太陽電池パネルは、ジャンパー ワイヤ電解槽に接続されています。
図 7: シリンダーに入るガスの例。
図 8: 燃料電池の画像。
図 9: 燃料電池は、ファンではなく LED ライトに接続されています。
図 10: この電解槽は、ファンに接続されている燃料電池に接続します。
燃料電池は、電気エネルギーに化学エネルギーに変換し、クリーンな代替エネルギー源として頻繁に使用されるデバイスです。
ガソリンはまだ米国で車の主な燃料源が、代替燃料源は、化石燃料への依存を減らすし、掃除機の電源ソースを生成するために最近数十年で検討しています。
水素燃料電池は、燃料としてクリーンな水素を利用し、廃棄物として水だけを生成します。彼らは多くの場合、電池と比較して、燃料電池が自動車のエンジンに近いエネルギーを保存、エネルギーを生成するために燃料の源を必要とすることはできません。その結果、水素のかなりの量は、一定の燃料電池の動作に必要です。
このビデオは、続く小規模な水素燃料電池の処理の水素ガスを生成する水の実験室規模の電気分解をご紹介いたします。
水素は宇宙で最も豊富な要素です。地球上の他の要素を化合物に主にあります。したがって、元素水素を燃料として使用するために他の化合物から精製する必要があります。ほとんどの水素ガスはメタンガスから水素を分離エネルギー集約型メタン改質プロセスを経て製造されます。このプロセスは非常に集中的なエネルギー、化石燃料を利用し、廃棄物ガスの大量の結果します。これは、気候変動に貢献しても燃料電池を毒し、操作性が減少します。
水の電気分解は、クリーンな水素ガス、汚染ガスの無料は意味水素を生産するための代替方法です。電気分解で水は水素と酸素ガス、電気電流を用いたに分割されます。これを行うには、電気の電源は、不活性金属から成っている 2 つの電極に接続されます。電極は、水と電気の電流に配置されます。小規模電解用バッテリや小さなソーラー パネルが水を分割するのに十分な電流を生成する使用できます。ただし、大規模なアプリケーションで高いエネルギー密度のソースが必要です。
電気分解反応は、酸化、または還元反応です。バランスの取れた化学反応によると倍の水素分子が酸素分子として生産があります。この電気化学反応から発生する水素ガスを収集し、燃料電池の燃料として使用するために保存できます。プロトン交換膜、PEM 燃料電池は化学エネルギーや水素ガス、電気エネルギーに変換します。電解と PEM 燃料電池は酸化還元反応を採用しています。水素ガスは燃料電池アセンブリの陽極に配信フォームは酸化、陽子と電子。
正荷電のプロトンはプロトン交換膜、陰極に移行します。しかし、負荷電の電子は膜を透過することは。電子は電流を提供する、外部回路を通って旅行します。酸素ガスは、還元反応が発生した燃料電池アセンブリの陰極に配信されます。そこには、酸素は陽子として水、陽極で生成された電子と反応します。水は、廃棄物として燃料電池から削除されます。
今では燃料セルの操作の基本を説明している、研究室では、このプロセスを見てみましょう。
手順を開始するには、この電解槽と 2 つのガスボンベ コレクションをセットアップします。ゼロのマークの蒸留水で外側の容器を埋めます。外側の容器にガスボンベのコレクションを配置します。
次に、チューブを使用してガスのコレクションのシリンダーにこの電解槽を接続します。ジャンパー線を用いた電解槽に太陽電池パネルを接続します。パワー水素ガスの生産するために直射日光の太陽電池パネルを配置します。十分な自然光がない場合は、ランプを使って太陽光をシミュレートします。
水素と酸素ガスが内部コレクション ガスボンベを入力開始されます。モニター 30 の間隔で各ガスの容積生産のスケールを使用して外側のシリンダー上のマーク。
内筒は完全に水素ガスがいっぱいです、泡が最終的に地表に到達、内筒から出てくる。この時点で、この電解槽から太陽電池パネルを切断し、水素ガスのどれもをしないするので水素ガス管にニッパーを閉じます。バランスの取れた化学方程式で予測倍として、酸素ガスとして水素ガスが生成されることに注意してください。
燃料電池の動作を開始するには、ベンチの上に燃料セルを設定します。この電解槽から水素ガス管を外し、燃料電池に接続します。必要な酸素は、空気から収集されます。
ファンや LED ライト発電を視覚化するために燃料電池を接続します。燃料電池ガス流を有効にする水素ガス管に楽勝をリリースします。ファンが回転を開始されない場合は、ガスの流れを奨励する燃料電池のパージ弁を押します。
ファンは、スピンすべての水素ガスがなくなるまで続けます。
クリーン エネルギー ソリューションとして開発されている燃料電池の多くの異なる種類があります。3 つの新技術をご紹介します。
固体酸化物形燃料電池、または、SOFC 燃料電池の別のタイプは透過膜は固体酸化物に置き換えられますを除いて PEM 燃料電池に同様に動作します。PEM 燃料電池と同様操作性汚染物質への露出に SOFC の減少のガスの硫黄および炭素を含む。この例では SOFC 電極いた試作し、典型的な営業に、さらされている硫黄と炭素の存在下で高温環境汚染燃料。
電極表面の中毒には、電気化学およびラマン分光法を用いて検討しました。結果、硫黄中毒、時に電流は減少したが、その回復が可能であった。原子間力顕微鏡を用いた研究では、この中毒を防ぐために更なる発展につながる可能性があります炭素の堆積物の形態を解明しました。
微生物燃料電池では、自然界に見られる細菌からの電流を派生させます。この例では、廃水処理プラントから得られる細菌は栽培、され、文化バイオ フィルムを使用します。3 電極電気化学セルは、電極の表面にバクテリアを培養する順番、設定されました。バイオ フィルムは、いくつかの成長サイクルで電気化学的栽培されていた。
結果のバイオ フィルムは、電気化学的細胞外の電子移動についてのテスト。電気化学の結果それから電子伝達とバイオ フィルムの微生物燃料電池への潜在的な応用を理解する使用されました。
電解を破るためにエネルギーを必要とする水を水素と酸素に。このプロセスは、大規模で集中的なエネルギーしますが、太陽電池を使用して小さな規模で運営することができます。
電解のための代替エネルギー源が風力発電です。研究室では、電気分解にベンチ スケール風力タービンと給電できます。このデモで風力タービンは風卓上ファンによって生成されたを使用して供給されています。
ゼウスの PEM 燃料電池入門を見てきただけ。今 PEM 燃料電池の基本操作と電気分解による水素ガスの発生を理解する必要があります。見てくれてありがとう!
電解中に、ソーラー パネルが接続され、日光にさらされると、水素と酸素ガスが生成されます。内筒 (表 1) に合わせて十分な H2ガスを生成する約 10 分かかります。バランスの取れた方程式に見られるように倍の H2 O2と生成があることに注意してください。
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2ガスが発生し、チューブが燃料電池に接続されている、燃料電池は電気を生成し、ファンが回転するが発生します。これは完全な円柱で H2ガスの約 10 分を持続させます。
時間 (秒) | 水素生成 (mL) | 酸素生成 (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 |
表 1: 時間別の水素と酸素の量を生成するために必要な
水素は、柔軟な燃料です。ローカル使用のための少量でまたは集中管理された施設で大量に敷地内製作可能します。水素は、(提供されるエネルギー、風力発電のような再生可能エネルギー源は、水素ガスを生成に使用された)、副産物として電気と水だけを生成する使用できます。たとえば、ボールダー、コロラド州、Wind2H2 プロジェクトは、風力タービンとソーラー パネルが水から水素ガスを生産し、水素ステーションで格納しておくための電解槽に接続されています。
このプロセスは、化石燃料の代わりに水素ガス (H2) で実行される車にも使用できます。車の燃料電池をインストールすると、電気がモーターを実行する使用できます。唯一の排気は、水 (H2O) になります。空気汚染の観点から、これは便利です。主要な自動車メーカーによって開発されている多くのプロトタイプ燃料電池車があります。現在車載高圧水素タンクを格納に必要な領域の量のため水素燃料電池は主にバスで見られます。燃料電池バスは、世界中のいくつかの国で見つけることができます。燃料電池車は、コスト削減、再生可能エネルギー源の使用の増加 H2ガスを作るときより多くのインフラストラクチャを提供するなど内燃機関車に代わる前に対処する必要がありますいくつかの技術的な問題があります。
さらに、水素燃料電池は、ビデオ カメラと無線のようなものを電池の代わりに使用できます。例は、USB 互換デバイスを充電するため水素燃料電池技術に基づくポータブル電源パックは、UPP のデバイスです。
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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