1.4: Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów

1. Wykorzystanie elektrolizera do produkcji wodoru gazowego

1. Ustaw elektrolizer (Rysunek 3).
2. Ustaw butle do zbierania gazu, upewniając się, że poziom wody destylowanej w butli zewnętrznej jest na poziomie 0 (Rysunek 4).
3. Podłącz elektrolizer do butli zbierających gaz (Rysunek 5).
4. Podłącz panel słoneczny do elektrolizera za pomocą przewodów połączeniowych i wystaw na bezpośrednie działanie promieni słonecznych (Rysunek 6). Uwaga, jeśli pogoda tego dnia nie współpracuje, użyj lampy z żarówką, aby zasymulować słońce.
5. Gaz H₂ i O₂ zaczyna wchodzić do wewnętrznych butli (Rysunek 7). Monitoruj objętość każdego wytwarzanego gazu w odstępach 30-sekundowych, korzystając ze skali oznaczonej na zewnętrznej butli. Napełnienie wewnętrznej butli gazem H₂ zajmuje około 10 minut.
6. Gdy wewnętrzna butla jest całkowicie wypełniona gazem H₂, z wewnętrznej butli powinny wydostać się pęcherzyki, które ostatecznie dotrą do powierzchni. W tym momencie odłącz panel słoneczny od elektrolizera i zamknij zacisk na rurze gazowej H₂, aby żaden z gazów H₂ nie wydostał się. Zauważ, że wytwarza się dwa razy więcej wodoru niż tlenu, jak przewidywano w zrównoważonym równaniu chemicznym.

2. Ogniwo paliwowe

1. Ustaw ogniwo paliwowe (Rysunek 8).
2. Odłącz rurkę gazową H₂ od elektrolizera i podłącz ją do ogniwa paliwowego.
3. Podłącz ogniwo paliwowe do wentylatora (lub diody LED, jeśli wentylator nie jest dostępny (Rysunek 9)) i zwolnij zacisk na rurze gazowej H₂ (Rysunek 10). Wentylator powinien zacząć się obracać. Jeśli nie, naciśnij zawór upustowy na ogniwie paliwowym, aby rozpocząć przepływ gazu.
4. Wentylator kontynuuje obracanie się, dopóki cały gaz H₂ nie zostanie zużyty. Powinno to trwać około 5 minut.

Rysunek 3: Zdjęcie elektrolizera.

Rysunek 4: Butle do zbierania gazu, w których poziom wody destylowanej jest równy 0.

Rysunek 5: zdjęcie elektrolizera podłączonego do butli z kolektorem gazu.

Rysunek 6: panel słoneczny połączony z elektrolizerem za pomocą przewodów połączeniowych.

Rysunek 7: Przykład gazu dostającego się do butli.

Rysunek 8: Zdjęcie ogniwa paliwowego.

Ilustracja 9: ogniwo paliwowe podłączone do diody LED zamiast do wentylatora.

Ilustracja 10: elektrolizer połączony z ogniwem paliwowym, które jest połączone z wentylatorem.

Ogniwa paliwowe to urządzenia, które przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną i są często wykorzystywane jako czyste, alternatywne źródło energii.

Chociaż benzyna jest nadal głównym źródłem paliwa dla pojazdów w USA, w ostatnich dziesięcioleciach badano alternatywne źródła paliw w celu zmniejszenia zależności od paliw kopalnych i generowania czystszych źródeł energii.

Wodorowe ogniwa paliwowe wykorzystują czysty wodór jako paliwo i produkują tylko wodę jako odpad. Chociaż często porównuje się je do akumulatorów, ogniwa paliwowe są bardziej podobne do silników samochodowych, ponieważ nie mogą magazynować energii i wymagają stałego źródła paliwa do wytwarzania energii. W związku z tym do stałej pracy ogniw paliwowych potrzebna jest znaczna ilość wodoru.

W tym filmie przedstawimy elektrolizę wody na skalę laboratoryjną w celu wytworzenia wodoru gazowego, a następnie działanie wodorowego ogniwa paliwowego na małą skalę.

Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. Na Ziemi występuje przede wszystkim w związkach z innymi pierwiastkami. Dlatego, aby wykorzystać wodór elementarny jako paliwo, należy go oczyścić z innych związków. Większość wodoru gazowego jest wytwarzana w energochłonnym procesie reformingu metanu, który izoluje wodór od metanu. Proces ten jest jednak niezwykle energochłonny, wykorzystuje paliwa kopalne i powoduje powstawanie znacznych ilości gazów odlotowych. Przyczynia się to do zmian klimatycznych, a także zatruwa ogniwa paliwowe i zmniejsza ich funkcjonalność.

Elektroliza wody jest alternatywną metodą wytwarzania czystego wodoru gazowego, czyli wodoru wolnego od gazów zanieczyszczających. W elektrolizie woda jest rozdzielana na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego. Aby to zrobić, źródło energii elektrycznej jest podłączone do dwóch elektrod, które są wykonane z obojętnego metalu. Elektrody są następnie umieszczane w wodzie i podawany jest prąd elektryczny. W przypadku elektrolizy na małą skalę można użyć baterii lub małego panelu słonecznego, aby wytworzyć prąd wystarczający do rozszczepienia wody. Jednak w zastosowaniach na dużą skalę wymagane są źródła o większej gęstości energii.

Reakcja elektrolizy jest reakcją utleniania-redukcji lub redoks. Wytwarzanych jest dwa razy więcej cząsteczek wodoru niż cząsteczek tlenu, zgodnie ze zrównoważoną reakcją chemiczną. Wodór powstający w tej reakcji elektrochemicznej może być zbierany i przechowywany w celu wykorzystania jako paliwo w ogniwie paliwowym. Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów lub PEM przekształca energię chemiczną lub gazowy wodór w energię elektryczną. Podobnie jak w przypadku elektrolizy, ogniwo paliwowe PEM wykorzystuje reakcję redoks. Gazowy wodór jest dostarczany do anody zespołu ogniwa paliwowego, gdzie jest utleniany, tworząc protony i elektrony.

Dodatnio naładowane protony migrują przez membranę wymiany protonów do katody. Jednak ujemnie naładowane elektrony nie są w stanie przeniknąć przez błonę. Elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny, dostarczając prąd elektryczny. Tlen gazowy jest dostarczany do katody zespołu ogniwa paliwowego, gdzie zachodzi reakcja redukcji. Tam tlen reaguje z protonami i elektronami, które zostały wygenerowane na anodzie, tworząc wodę. Woda jest następnie usuwana z ogniwa paliwowego jako odpad.

Teraz, gdy podstawy działania ogniw paliwowych zostały wyjaśnione, przyjrzyjmy się temu procesowi w laboratorium.

Aby rozpocząć procedurę, ustaw elektrolizer i dwie butle do zbierania gazu. Napełnij pojemniki zewnętrzne wodą destylowaną do znaku zero. Umieść butle do zbierania gazu w pojemnikach zewnętrznych.

Następnie podłącz elektrolizer do butli zbierających gaz za pomocą rurek. Podłącz panel słoneczny do elektrolizera za pomocą przewodów połączeniowych. Umieść panel słoneczny w bezpośrednim świetle słonecznym, aby zasilić produkcję wodoru. Jeśli nie ma wystarczającej ilości naturalnego światła, zasymuluj światło słoneczne za pomocą lampy.

Wodór i tlen zaczną wchodzić do wewnętrznych butli do zbierania gazu. Monitoruj objętość każdego gazu wytwarzanego w odstępach 30-sekundowych, korzystając ze skali oznaczonej na zewnętrznej butli.

Gdy butla wewnętrzna jest całkowicie wypełniona gazowym wodorem, pęcherzyki wydobędą się z cylindra wewnętrznego, ostatecznie docierając do powierzchni. W tym momencie odłącz panel słoneczny od elektrolizera i zamknij zacisk na rurze wodorowej gazowej, aby żaden wodór nie wydostał się na zewnątrz. Należy zauważyć, że wytwarza się dwa razy więcej wodoru niż tlenu, jak przewidywano w zrównoważonym równaniu chemicznym.

Aby rozpocząć działanie ogniwa paliwowego, ustaw ogniwo paliwowe na blacie stołu. Odłączyć rurkę wodorową od elektrolizera i podłączyć ją do ogniwa paliwowego. Wymagany tlen jest pobierany z powietrza.

Podłącz ogniwo paliwowe do wentylatora lub lampy LED, aby zobrazować wytwarzanie energii. Zwolnij zacisk rurki wodorowej, aby umożliwić przepływ gazu do ogniwa paliwowego. Jeśli wentylator nie zacznie się obracać, naciśnij zawór odpowietrzający na ogniwie paliwowym, aby pobudzić przepływ gazu.

Wentylator będzie się obracał, dopóki cały wodór nie zostanie zużyty.

Istnieje wiele różnych typów ogniw paliwowych, które są opracowywane jako rozwiązania w zakresie czystej energii. Poniżej przedstawiamy trzy nowe technologie.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem lub SOFC to inny rodzaj ogniw paliwowych, które działają podobnie do ogniw paliwowych PEM, z wyjątkiem tego, że przepuszczalna membrana jest zastąpiona stałym tlenkiem. Podobnie jak w przypadku ogniw paliwowych PEM, operacyjność SOFC zmniejsza się pod wpływem gazów zanieczyszczających zawierających siarkę i węgiel. W tym przykładzie elektrody SOFC zostały wyprodukowane, a następnie wystawione na działanie typowych środowisk roboczych w wysokiej temperaturze w obecności paliwa zanieczyszczonego siarką i węglem.

Zatrucie powierzchni elektrod badano za pomocą elektrochemii i spektroskopii Ramana. Wyniki pokazały, że prąd zmniejszył się po zatruciu siarką, ale powrót do zdrowia był możliwy. Badania mikroskopii sił atomowych wyjaśniły morfologię osadów węgla, co może prowadzić do dalszego rozwoju w celu zapobiegania temu zatruciu.

Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe czerpie prąd elektryczny z bakterii występujących w przyrodzie. W tym przykładzie wyhodowano bakterie pozyskane z oczyszczalni ścieków i wykorzystano je do hodowli biofilmów. Stworzono trzyelektrodowe ogniwo elektrochemiczne w celu hodowli bakterii na powierzchni elektrody. Biofilm był hodowany elektrochemicznie w kilku cyklach wzrostu.

Powstały biofilm został następnie przetestowany pod kątem elektrochemicznego transferu elektronów poza komórką. Wyniki badań elektrochemicznych wykorzystano następnie do zrozumienia transferu elektronów i potencjalnego zastosowania biofilmu w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych.

Elektroliza wymaga energii do rozbicia wody na wodór i tlen. Proces ten jest energochłonny na dużą skalę, ale może być obsługiwany na małą skalę za pomocą ogniwa słonecznego.

Alternatywnym źródłem energii dla elektrolizy jest energia wiatrowa. W laboratorium elektroliza może być napędzana za pomocą turbiny wiatrowej na skalę stołową. W tej demonstracji turbina wiatrowa była zasilana przy użyciu symulowanego wiatru generowanego przez wentylator stołowy.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do ogniwa paliwowego PEM. Powinieneś teraz zrozumieć podstawowe działanie ogniwa paliwowego PEM i wytwarzanie wodoru w procesie elektrolizy. Dzięki za oglądanie!