Топливные элементы с протонообменной мембраной

Топливные элементы — это устройства, которые преобразуют химическую энергию в электрическую и часто используются в качестве экологически чистого альтернативного источника энергии.

Несмотря на то, что бензин по-прежнему является основным источником топлива для транспортных средств в США, в последние десятилетия были изучены альтернативные источники топлива, чтобы снизить зависимость от ископаемого топлива и создать более чистые источники энергии.

Водородные топливные элементы используют чистый водород в качестве топлива и производят только воду в качестве отходов. Хотя их часто сравнивают с батареями, топливные элементы больше похожи на автомобильные двигатели, поскольку они не могут накапливать энергию и требуют постоянного источника топлива для производства энергии. В результате для постоянной работы топливных элементов требуется значительное количество водорода.

В этом видео будет представлен электролиз воды в лабораторных масштабах для получения газообразного водорода с последующей эксплуатацией малогабаритного водородного топливного элемента.

Водород является самым распространенным элементом во Вселенной. На Земле он в основном встречается в соединениях с другими элементами. Поэтому для того, чтобы использовать элементарный водород в качестве топлива, его необходимо очищать от других соединений. Большая часть газообразного водорода производится в результате энергоемкого процесса риформинга метана, который изолирует водород от метана. Однако этот процесс чрезвычайно энергоемкий, использует ископаемое топливо и приводит к образованию значительного количества отходящих газов. Это способствует изменению климата, а также отравляет топливные элементы и снижает работоспособность.

Электролиз воды является альтернативным методом получения чистого газообразного водорода, то есть водорода, не содержащего загрязняющих газов. При электролизе вода расщепляется на газообразный водород и газообразный кислород с помощью электрического тока. Для этого к двум электродам подключается источник электрического тока, которые изготовлены из инертного металла. Затем электроды помещают в воду и подают электрический ток. Для мелкомасштабного электролиза можно использовать батарею или небольшую солнечную панель, чтобы генерировать ток, достаточный для расщепления воды. Однако в крупномасштабных приложениях требуются источники с более высокой плотностью энергии.

Реакция электролиза представляет собой окислительно-восстановительную, или окислительно-восстановительную реакцию. Молекул водорода образуется в два раза больше, чем молекул кислорода, в соответствии со сбалансированной химической реакцией. Газообразный водород, образующийся в результате этой электрохимической реакции, может быть собран и сохранен для использования в качестве топлива в топливном элементе. Протонообменная мембрана, или ПЭМ, топливный элемент преобразует химическую энергию, или газообразный водород, в электрическую. Как и при электролизе, в топливном элементе PEM используется окислительно-восстановительная реакция. Газообразный водород подается на анод сборки топливного элемента, где он окисляется с образованием протонов и электронов.

Положительно заряженные протоны мигрируют через протонообменную мембрану к катоду. Однако отрицательно заряженные электроны не могут проникнуть через мембрану. Электроны перемещаются по внешней цепи, обеспечивая электрический ток. Газообразный кислород подается на катод топливного элемента в сборе, где происходит реакция восстановления. Там кислород вступает в реакцию с протонами и электронами, которые были сгенерированы в аноде, образуя воду. Затем вода удаляется из топливного элемента в виде отходов.

Теперь, когда мы разобрались с основами работы топливных элементов, давайте рассмотрим этот процесс в лаборатории.

Чтобы начать процедуру, настройте электролизер и два баллона для сбора газа. Наполните внешние емкости дистиллированной водой до нулевой отметки. Поместите баллоны для сбора газа во внешние емкости.

Далее подсоедините электролизер к баллонам для сбора газа с помощью трубок. Подключите солнечную панель к электролизеру с помощью перемычек. Поместите солнечную панель под прямые солнечные лучи, чтобы обеспечить энергией производство газообразного водорода. Если естественного света недостаточно, имитируйте солнечный свет с помощью лампы.

Газообразный водород и кислород начнут поступать во внутренние баллоны для сбора газа. Контролируйте объем каждого производимого газа с интервалом в 30 с, используя шкалу, отмеченную на наружном цилиндре.

Когда внутренний цилиндр полностью заполнен газообразным водородом, пузырьки будут выходить из внутреннего цилиндра, в конечном итоге достигая поверхности. На этом этапе отсоедините солнечную панель от электролизера и закройте крышку на водородной газовой трубке, чтобы водород не улетучился. Обратите внимание, что газообразного водорода образуется в два раза больше, чем газообразного кислорода, как и предсказывается в уравнении сбалансированного химического уравнения.

Чтобы начать работу топливного элемента, установите топливный элемент на столе. Отсоедините трубку газообразного водорода от электролизера и подключите ее к топливному элементу. Необходимый кислород собирается из воздуха.

Подключите топливный элемент к вентилятору или светодиодному индикатору, чтобы визуализировать выработку электроэнергии. Отпустите зажим на водородной газовой трубке, чтобы обеспечить подачу газа к топливному элементу. Если вентилятор не начинает вращаться, нажмите на клапан продувки на топливном элементе, чтобы стимулировать поток газа.

Вентилятор будет продолжать вращаться до тех пор, пока весь газообразный водород не будет израсходован.

Существует множество различных типов топливных элементов, которые разрабатываются как решения для экологически чистой энергии. Здесь мы представляем три новые технологии.

Твердооксидные топливные элементы, или ТОТЭ, являются еще одним типом топливных элементов, которые работают аналогично топливным элементам PEM, за исключением того, что проницаемая мембрана заменена твердым оксидом. Как и в случае с топливными элементами PEM, работоспособность ТОТЭ снижается при воздействии загрязняющих газов, содержащих серу и углерод. В этом примере электроды ТОТЭ были изготовлены, а затем подвергнуты воздействию типичных рабочих сред при высокой температуре в присутствии топлива, загрязненного серой и углеродом.

Отравление поверхности электродов изучалось с помощью электрохимии и рамановской спектроскопии. Результаты показали, что при отравлении серой ток уменьшался, но восстановление было возможным. Исследования с помощью атомно-силовой микроскопии выяснили морфологию отложений углерода, что может привести к дальнейшим разработкам по предотвращению этого отравления.

Микробный топливный элемент получает электрический ток от бактерий, встречающихся в природе. В этом примере были выращены бактерии, полученные на очистных сооружениях, и использованы для культивирования биопленок. Была создана электрохимическая ячейка с тремя электродами для культивирования бактерий на поверхности электрода. Биопленка выращивалась электрохимическим путем в несколько циклов роста.

Полученная биопленка затем была проверена на внеклеточный перенос электронов электрохимическим путем. Затем электрохимические результаты были использованы для понимания переноса электронов и потенциального применения биопленки к микробным топливным элементам.

Электролиз требует энергии для расщепления воды на водород и кислород. Этот процесс является энергоемким в больших масштабах, но может управляться в малых масштабах с помощью солнечной батареи.

Альтернативным источником энергии для электролиза является энергия ветра. В лаборатории электролиз может приводиться в действие с помощью настольной ветряной турбины. В этой демонстрации ветряная турбина приводилась в действие с помощью имитации ветра, генерируемого настольным вентилятором.

Вы только что посмотрели презентацию JoVE о топливных элементах PEM. Теперь вы должны понять основные принципы работы топливного элемента PEM и получение газообразного водорода с помощью электролиза. Спасибо за просмотр!