Células de combustível de membrana de troca de prótons

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Proton Exchange Membrane Fuel Cells

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09:40 min
April 30, 2023

Visão Geral

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye – Universidade Depaul

Os Estados Unidos consomem uma grande quantidade de energia – a taxa atual é de cerca de 97,5 quadrilhões de BTUs anualmente. A grande maioria (90%) dessa energia vem de fontes de combustível não renováveis. Essa energia é utilizada para eletricidade (39%), transporte (28%), indústria (22%) e uso residencial/comercial (11%). Como o mundo tem um fornecimento limitado dessas fontes não renováveis, os Estados Unidos (entre outros) estão expandindo o uso de fontes de energia renovável para atender às necessidades energéticas futuras. Uma dessas fontes é o hidrogênio.

O hidrogênio é considerado uma fonte potencial de combustível renovável, porque atende a muitos critérios importantes: está disponível no mercado interno, tem poucos poluentes nocivos, é eficiente em energia e é fácil de aproveitar. Embora o hidrogênio seja o elemento mais abundante no universo, ele só é encontrado em forma composta na Terra. Por exemplo, é combinado com oxigênio na água como H2O. Para ser útil como combustível, ele precisa estar na forma de gás H2. Portanto, se o hidrogênio deve ser usado como combustível para carros ou outros eletrônicos, o H2 precisa ser feito primeiro. Assim, o hidrogênio é frequentemente chamado de “porta-energia” em vez de “combustível”.

Atualmente, a maneira mais popular de fazer gás H2 é a partir de combustíveis fósseis, através da reforma a vapor de hidrocarbonetos ou gaseificação de carvão. Isso não reduz a dependência de combustíveis fósseis e é intensivo em energia. Um método menos utilizado é por eletrólise da água. Isso também requer uma fonte de energia, mas pode ser uma fonte renovável, como energia eólica ou solar. Na eletrólise, a água (H2O) é dividida em suas partes componentes, gás hidrogênio (H2) e gás oxigênio (O2), através de uma reação eletroquímica. O gás hidrogênio feito através do processo de eletrólise pode então ser usado em uma célula de combustível de Membrana de Troca de Prótons (PEM), gerando uma corrente elétrica. Esta corrente elétrica pode ser usada para alimentar motores, luzes e outros dispositivos elétricos.

Princípios

Procedimento

1. Usando o eletrólito para produzir gás hidrogênio Configuração do eletrólito (Figura 3). Configure os cilindros de coleta de gás, certificando-se de que o nível de água destilada no cilindro externo esteja na marca 0(Figura 4). Conecte o eletrólito aos cilindros de coleta de gás(Figura 5). Conecte um painel solar ao eletrólito usando fios de jumper e exponha à luz solar direta(Figura 6). Note, se o tempo não estiver cooperando naquele dia, use uma lâmpada com uma lâmpada para simular o sol. O gás H2 e O2 começa a entrar nos cilindros internos(Figura 7). Monitore o volume de cada gás produzido em intervalos de 30 s, utilizando a balança marcada no cilindro externo. Leva aproximadamente 10 minutos para encher o cilindro interno com gás H2. Quando o cilindro interno está completamente cheio de gás H2, algumas bolhas devem emergir do cilindro interno, eventualmente atingindo a superfície. Neste ponto, desconecte o painel solar do eletrólito e feche o cincher no tubo de gás H2, de modo que nenhum gás H2 escape. Observe que há o dobro de gás hidrogênio produzido como gás oxigênio, como previsto na equação química equilibrada. 2. Célula de combustível Configuração de uma célula de combustível(Figura 8). Desconecte a tubulação de gás H2 do eletrólito e conecte-a à célula de combustível. Conecte a célula de combustível a um ventilador (ou uma luz LED, se um ventilador não estiver disponível (Figura 9)) e solte o cinch no tubo de gás H2 (Figura 10). O ventilador deve começar a girar. Se não, pressione a válvula de purga na célula de combustível para fazer o gás fluir. O ventilador continua girando até que todo o gás H2 seja consumido. Isso deve durar aproximadamente 5 minutos. Figura 3: Uma foto do eletrólito. Figura 4: Cilindros de coleta de gás com níveis de água destilados iguais a 0. Figura 5: Uma imagem do eletrólito conectado aos cilindros de coleta de gás. Figura 6: O painel solar conectado ao eletrólito com fios de jumper. Figura 7: Um exemplo do gás entrando nos cilindros. Figura 8: Uma imagem de uma célula de combustível. Figura 9: A célula de combustível conectada a uma luz LED em vez de um ventilador. Figura 10: O eletrólito conectado com a célula de combustível, que está conectada com o ventilador.

Resultados

Durante o procedimento de eletrólise, o hidrogênio e o gás oxigênio são gerados uma vez que o painel solar é conectado e exposto à luz solar. Leva aproximadamente 10 minutos para gerar gás H2 suficiente para encher o cilindro interno(Tabela 1). Note que há duasvezes mais H 2 gerado como O2, como visto na equação equilibrada: 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g) <p class="jove_con…

Applications and Summary

Hidrogênio é um combustível flexível. Pode ser produzido no local em pequenas quantidades para uso local ou em grandes quantidades em uma instalação centralizada. O hidrogênio pode então ser usado para produzir eletricidade apenas com água como subproduto (desde que uma fonte renovável de energia, como uma turbina eólica, foi usada para gerar o gás hidrogênio). Por exemplo, em Boulder, Colorado, o projeto Wind2H2 tem turbinas eólicas e painéis solares conectados a eletrólitos que produzem gás hidrogênio…

Transcrição

1. Usando o eletrólito para produzir gás hidrogênio Configuração do eletrólito (Figura 3). Configure os cilindros de coleta de gás, certificando-se de que o nível de água destilada no cilindro externo esteja na marca 0(Figura 4). Conecte o eletrólito aos cilindros de coleta de gás(Figura 5). Conecte um painel solar ao eletrólito usando fios de jumper e exponha à luz solar direta(Figura 6). Note, se o tempo não estiver cooperando naquele dia, use uma lâmpada com uma lâmpada para simular o sol. O gás H2 e O2 começa a entrar nos cilindros internos(Figura 7). Monitore o volume de cada gás produzido em intervalos de 30 s, utilizando a balança marcada no cilindro externo. Leva aproximadamente 10 minutos para encher o cilindro interno com gás H2. Quando o cilindro interno está completamente cheio de gás H2, algumas bolhas devem emergir do cilindro interno, eventualmente atingindo a superfície. Neste ponto, desconecte o painel solar do eletrólito e feche o cincher no tubo de gás H2, de modo que nenhum gás H2 escape. Observe que há o dobro de gás hidrogênio produzido como gás oxigênio, como previsto na equação química equilibrada. 2. Célula de combustível Configuração de uma célula de combustível(Figura 8). Desconecte a tubulação de gás H2 do eletrólito e conecte-a à célula de combustível. Conecte a célula de combustível a um ventilador (ou uma luz LED, se um ventilador não estiver disponível (Figura 9)) e solte o cinch no tubo de gás H2 (Figura 10). O ventilador deve começar a girar. Se não, pressione a válvula de purga na célula de combustível para fazer o gás fluir. O ventilador continua girando até que todo o gás H2 seja consumido. Isso deve durar aproximadamente 5 minutos. Figura 3: Uma foto do eletrólito. Figura 4: Cilindros de coleta de gás com níveis de água destilados iguais a 0. Figura 5: Uma imagem do eletrólito conectado aos cilindros de coleta de gás. Figura 6: O painel solar conectado ao eletrólito com fios de jumper. Figura 7: Um exemplo do gás entrando nos cilindros. Figura 8: Uma imagem de uma célula de combustível. Figura 9: A célula de combustível conectada a uma luz LED em vez de um ventilador. Figura 10: O eletrólito conectado com a célula de combustível, que está conectada com o ventilador.