质子交换膜燃料电池

Environmental Science

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Overview

资料来源: 玛格丽特工人和金伯利弗莱-Depaul 大学实验室

美国会消耗大量的能源 — — 当前速率是每年大约 9 京 7500 兆英国热量单位。绝大多数 (90%) 的这种能量来自非可再生燃料来源。这种能量用于发电 (39%)、 运输 (28%)、 (22%),工业和住宅/商业使用 (11%)。因为世界有这些非可再生能源的供应有限,美国 (及其他) 扩大使用可再生能源来满足未来的能源需求。这些来源之一就是氢。

氢气被认为是潜在可再生燃料来源,因为它能够满足许多重要的标准: 它是可用国内,它具有几个有害的污染物,它的能源效率,和它的容易驾驭。而氢是宇宙中最丰富的元素,它是仅见于在地球上的复合形态。举个例子,是在水中的氧结合作为 H2o。要有用作为燃料,它需要的 H2气体形式。因此,如果氢作为燃料用于汽车或其他电子产品,H2需要做出第一次。因此,氢是通常被称为"能源航母"而不是一种"燃料"。

目前,最流行的方式,使 H2气是从化石燃料,通过水蒸气重整的碳氢化合物或煤炭气化。这并不降低对化石燃料的依赖,是能源密集型。较少使用的方法是通过电解水。这也需要一种能源,但它可以是一种可再生的来源,如风能或太阳能。在电解,水 (H2O) 被分裂成它的组成成分,氢气 (H2) 和氧气 (O2),通过电化学的反应。氢气通过电解用质子交换膜 (PEM) 燃料电池,产生电流。此电流可以用于功率电机,灯和其它用电设备。

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JoVE Science Education Database. 环境科学精要. 质子交换膜燃料电池. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

我这个实验涉及的氢气通过电解生成的一部分。在电解,水是分成其组件,氢气和氧气,通过以下的电化学反应:

2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

有很多一倍作为氧分子产生的氢分子。这种反应不会自发地发生和需要的电能,例如,太阳能电池板的来源。这是一种氧化还原反应。这些类型的化学反应可以分成两个部分: 氧化反应和还原反应。这些被称为半反应。在氧化半反应,电子被释放。在还原半反应,接受电子。

氧化: 2 H2O(l) → O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e-
减少: 4 H+(aq) + 4 e- → 2 H2 (g)

氢气可以收集并存储用于晚些时候 (PEM) 燃料电池 (图 1)。

这个实验的第二部分涉及到使用存储的氢气作为燃料生产电力,电源风扇。在本实验中使用的燃料电池是质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池就像一个电池,因为它能通过一种化学反应,涉及的电子转移的电力。在质子交换膜燃料电池,一半的反应如下:

氧化: 2 H2 (g) → 4 H+(aq) + 4 e-
减少: 4 H+(aq) + O2 (g) + 4 e- → 2 H2O(l)

总体的反应是: 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O(l) + 能量

这些半反应发生在电极 (所经过的电导体)。在质子交换膜燃料电池中,有两个电极: 阳极和阴极。在阳极发生氧化。减少发生在阴极。所以,在质子交换膜燃料电池的阳极,氢气被氧化,和电子被释放入电路。在阴极上,氧气减少,形成了水。在质子交换膜燃料电池质子交换膜分离的两个电极。这层膜允许质子 (H+),流过,但阻止电子从进入膜。因此,电子被迫流过电路 (图 2)。

Figure 1
图 1: 图的电解槽。

Figure 2
图 2: 质子交换膜燃料电池。

Procedure

1.利用电解槽生产氢气

  1. 设置电解槽 (图 3)。
  2. 设置气收集瓶,确保蒸馏水的水位外筒位于 0 标记 (图 4)。
  3. 将电解槽连接到气收集瓶 (图 5)。
  4. 将太阳能电池板连接到电解槽使用跳线和暴露在直射阳光下 (图 6)。请注意,如果天公不作美那一天,用灯泡来模拟太阳灯使用。
  5. H2和 O2气体开始进入内筒 (图 7)。监控每个气体的量产于 30 秒的时间间隔,使用规模在外筒上标明。它需要大约 10 分钟填补了内筒与 H2气体。
  6. 当内筒的 H2气体完全充满时,一些泡沫应该摆脱内筒,最终到达地表。在这一点上,太阳能电池板断开电解槽和关闭 cincher H2煤气管,所以没有任何 H2气体逃逸。注意那里氢气产生氧气,作为现在两倍的活预计在平衡的化学方程式。

2.燃料电池

  1. 安装燃料电池 (图 8)。
  2. 从电解槽断开 H2气体管道并将其连接到燃料电池。
  3. 将燃料电池连接到风扇 (或 LED 灯,如果风扇不是可用的 (图 9)) 和释放 H2气体管 (图 10) 不在话下。风扇应该开始旋转。如果不是,清除阀按燃料电池获得的气体流动。
  4. 风扇继续旋转,直到一切 H2气体消耗。这应该持续大约 5 分钟。

Figure 3
图 3: 电解槽的图片。

Figure 4
图 4: 气收集瓶蒸馏水水位等于 0。

Figure 5
图 5: 电解槽的图片连接到气收集瓶。

Figure 6
图 6: 太阳能电池板连接到电解槽与跳线。

Figure 7
图 7: 气体进入汽缸的例子。

Figure 8
图 8: 一张图片的燃料电池。

Figure 9
图 9: 燃料电池连接到 LED 灯,而不是一个球迷。

Figure 10
图 10: 电解槽连接用的燃料电池,与风扇连接。

燃料电池是将化学能为电能,转化和常被用作清洁、 可替代能源的设备。

虽然汽油仍然是在美国汽车的主要燃料来源,近几十年来,以减少对化石燃料的依赖,创造清洁能源的探讨了替代燃料来源。

氢燃料电池利用清洁的氢作为燃料,并产生只有水作为废物。虽然他们常被比作电池,燃料电池是燃料的更类似于汽车的发动机,因为他们不能储存的能量并且需要源源不断,以产生能量。因此,不断的燃料电池操作需要大量的氢。

这个视频将介绍实验室规模电解水产生氢气,其次是小型氢燃料电池的操作。

氢是宇宙中最丰富的元素。在地球上,它主要是与其他元素的化合物中发现。因此,为了使用元素氢气作为燃料,必须从其他化合物中提炼。大多数的氢气,通过隔离从甲烷气体氢能源密集型甲烷重整过程产生。然而,这一过程极是能源密集型、 利用化石燃料和产生大量的废气。这有助于气候变化与毒药燃料电池也削弱了可操作性。

电解水是生产清洁的氢气,是免费的污染物气体的意义氢一种替代方法。在电解,水是分裂成氢气和氧气的气体,使用电流。要做到这一点,电气动力源连接到两个电极,惰性的金属做。电极然后被放入水和电流应用。小型电解电池或小型太阳能电池板可以用于生成足够的电流来分解水。然而在大型应用中,高能量密度来源是需要的。

电解反应是氧化还原或氧化还原反应。根据平衡化学反应有多一倍作为氧分子,产生的氢分子。从这个电化学的反应生成的氢气可以收集和存储作为燃料电池的燃料使用。质子交换膜或质子交换膜,将化学能源或氢气为电能转换为燃料电池。随着电解,质子交换膜燃料电池采用氧化还原反应。氢气传递到阳极的燃料电池组件,在那里它被氧化形成质子和电子。

带正电的质子跨质子交换膜,向阴极迁移。不过,负电荷的电子不能渗透膜。电子旅行通过外部电路,提供电流。氧气气体被传递到燃料电池组件,阴极还原反应发生的位置。在那里,氧反应的质子和电子在阳极,形成水生成。水从燃料电池免去废物。

现在,燃料电池操作的基本知识已解释过,我们看看这一过程在实验室。

开始执行程序,请安装槽和两个气收集瓶。用蒸馏水到零标记填充的外部容器。将气收集瓶放在外容器中。

接下来,连接电解槽使用油管气收集瓶。将太阳能电池板连接到电解槽使用跳线。电力生产的氢气将太阳能电池板放在阳光直接照射。如果没有足够的自然光照,模拟阳光使用一盏灯。

氢气和氧气的气体将开始进入内部气收集瓶。监控每个气体的量产于 30 秒的时间间隔,使用规模在外筒上标明。

当内筒完全充满氢气时,泡沫还是会出现从内筒,最终到达地表。在这一点上,太阳能电池板断开电解槽和关闭对氢燃气管,cincher,所以没有氢气的逃逸。请注意,还有是氢气产生氧气,作为预测在平衡的化学方程式为现在两倍的活。

燃料电池操作开始,在台阶顶上设置燃料电池。从电解槽拔下氢燃气管并将其连接到燃料电池。所需的氧气从空气中采。

连接到风扇或 LED 灯为了形象化发电的燃料电池。释放对氢燃气管,使燃料电池的气体流向不在话下。如果风扇不会开始旋转,按燃料电池鼓励气体流量分流阀。

风扇会继续旋转,直到一切氢气消耗。

有许多不同类型的燃料电池,现正发展成为清洁能源解决方案。在这里我们提出三种新兴技术。

固体氧化物燃料电池或固体氧化物燃料电池的是另一种类型的燃料电池的操作同样对质子交换膜燃料电池,除了透膜将被替换为固体氧化物。随着质子交换膜燃料电池,可操作性 SOFC 的减少暴露于污染物的气体含有的硫和碳。在此示例中,固体氧化物燃料电池电极是捏造的,然后暴露于典型的经营环境在高温硫和碳污染燃料。

采用电化学和拉曼光谱研究了电极表面中毒。结果表明当前被减少后硫中毒,但经济复苏是可能的。原子力显微镜研究阐明形态的碳沉积,可能会导致进一步的发展,以防止此中毒。

微生物燃料电池推导出电流从自然界中发现的细菌。在此示例中,细菌从废水处理厂获得了成长,和习惯培养生物膜。三电极电化学电池成立了,按顺序在电极表面的细菌培养。生物膜电化学产于几个生长周期。

由此产生的生物膜进行电化学然后测试胞外电子转移。电化学结果被用于理解电子转移和生物膜对微生物燃料电池中的潜在应用。

电解需要打破的能源水成氢气和氧气。这一进程是能源密集型规模大,但可以使用太阳能电池的小规模经营。

电解可替代能源来源是风力发电。在实验室里,电解可以供电与板凳规模风电机组。在这个演示中,风电机组被动力使用模拟的风由台式风扇产生的。

你刚看了质子交换膜燃料电池的朱庇特的简介。现在,您应该了解质子交换膜燃料电池的基本操作和生成的氢气通过电解。谢谢观赏 !

Results

在电解过程中,一旦太阳能电池板是连接和暴露在阳光下生成氢气和氧气。它需要大约 10 分钟生成足够多的 H2气体填充内筒 (表 1)。注意的是多了一倍 H2 O2,作为生成平衡方程所示:

2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

一旦生成 H2气体和油管连接到燃料电池,燃料电池产生电力,导致风扇旋转。这持续满瓶的 H2气体大约 10 分钟。

时间 (s) 产生的氢气 (毫升) 氧气生成 (毫升)
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: 时间所需的生成不同的氢和氧的数量

Applications and Summary

氢是一种灵活的燃料。它可以现场生产供本地使用少量或大量在一个集中的设施。氢可以用于发电用水只作为副产品 (前提是可再生的能源,如风力涡轮机,来源用来生成氢气)。例如,在科罗拉多州博尔德,Wind2H2 项目有风力涡轮机和太阳能电池板连接到电解槽生产氢气从水,然后将其用于存储在他们的氢气加气站。

也可以使用该过程,使汽车在氢气 (H2) 而不是化石燃料上运行。如果质子交换膜燃料电池安装在一辆车,电可以用来使电机运行。唯一的排气管将水 (H2O)。从空气污染角度来看,这是有利的。有很多的原型燃料电池车正在开发的主要的汽车制造商。由于目前存储压缩的氢罐上一辆汽车所需量,氢燃料电池主要是空间的在公共汽车上。燃料电池巴士可以发现在世界各地的几个国家。有需要在燃料电池汽车是一个可行的选择,包括提供更多的基础设施,降低成本和增加的使用可再生能源,制作 H2气体时的内燃机引擎汽车之前解决一些技术问题。

此外,氢燃料电池可用于代替电池之类的视频照相机和收音机。一个例子是 UPP 设备,是一种便携式的电源包可以用于 USB 兼容设备充电的氢燃料电池技术的基础。

1.利用电解槽生产氢气

  1. 设置电解槽 (图 3)。
  2. 设置气收集瓶,确保蒸馏水的水位外筒位于 0 标记 (图 4)。
  3. 将电解槽连接到气收集瓶 (图 5)。
  4. 将太阳能电池板连接到电解槽使用跳线和暴露在直射阳光下 (图 6)。请注意,如果天公不作美那一天,用灯泡来模拟太阳灯使用。
  5. H2和 O2气体开始进入内筒 (图 7)。监控每个气体的量产于 30 秒的时间间隔,使用规模在外筒上标明。它需要大约 10 分钟填补了内筒与 H2气体。
  6. 当内筒的 H2气体完全充满时,一些泡沫应该摆脱内筒,最终到达地表。在这一点上,太阳能电池板断开电解槽和关闭 cincher H2煤气管,所以没有任何 H2气体逃逸。注意那里氢气产生氧气,作为现在两倍的活预计在平衡的化学方程式。

2.燃料电池

  1. 安装燃料电池 (图 8)。
  2. 从电解槽断开 H2气体管道并将其连接到燃料电池。
  3. 将燃料电池连接到风扇 (或 LED 灯,如果风扇不是可用的 (图 9)) 和释放 H2气体管 (图 10) 不在话下。风扇应该开始旋转。如果不是,清除阀按燃料电池获得的气体流动。
  4. 风扇继续旋转,直到一切 H2气体消耗。这应该持续大约 5 分钟。

Figure 3
图 3: 电解槽的图片。

Figure 4
图 4: 气收集瓶蒸馏水水位等于 0。

Figure 5
图 5: 电解槽的图片连接到气收集瓶。

Figure 6
图 6: 太阳能电池板连接到电解槽与跳线。

Figure 7
图 7: 气体进入汽缸的例子。

Figure 8
图 8: 一张图片的燃料电池。

Figure 9
图 9: 燃料电池连接到 LED 灯,而不是一个球迷。

Figure 10
图 10: 电解槽连接用的燃料电池,与风扇连接。

燃料电池是将化学能为电能,转化和常被用作清洁、 可替代能源的设备。

虽然汽油仍然是在美国汽车的主要燃料来源,近几十年来,以减少对化石燃料的依赖,创造清洁能源的探讨了替代燃料来源。

氢燃料电池利用清洁的氢作为燃料,并产生只有水作为废物。虽然他们常被比作电池,燃料电池是燃料的更类似于汽车的发动机,因为他们不能储存的能量并且需要源源不断,以产生能量。因此,不断的燃料电池操作需要大量的氢。

这个视频将介绍实验室规模电解水产生氢气,其次是小型氢燃料电池的操作。

氢是宇宙中最丰富的元素。在地球上,它主要是与其他元素的化合物中发现。因此,为了使用元素氢气作为燃料,必须从其他化合物中提炼。大多数的氢气,通过隔离从甲烷气体氢能源密集型甲烷重整过程产生。然而,这一过程极是能源密集型、 利用化石燃料和产生大量的废气。这有助于气候变化与毒药燃料电池也削弱了可操作性。

电解水是生产清洁的氢气,是免费的污染物气体的意义氢一种替代方法。在电解,水是分裂成氢气和氧气的气体,使用电流。要做到这一点,电气动力源连接到两个电极,惰性的金属做。电极然后被放入水和电流应用。小型电解电池或小型太阳能电池板可以用于生成足够的电流来分解水。然而在大型应用中,高能量密度来源是需要的。

电解反应是氧化还原或氧化还原反应。根据平衡化学反应有多一倍作为氧分子,产生的氢分子。从这个电化学的反应生成的氢气可以收集和存储作为燃料电池的燃料使用。质子交换膜或质子交换膜,将化学能源或氢气为电能转换为燃料电池。随着电解,质子交换膜燃料电池采用氧化还原反应。氢气传递到阳极的燃料电池组件,在那里它被氧化形成质子和电子。

带正电的质子跨质子交换膜,向阴极迁移。不过,负电荷的电子不能渗透膜。电子旅行通过外部电路,提供电流。氧气气体被传递到燃料电池组件,阴极还原反应发生的位置。在那里,氧反应的质子和电子在阳极,形成水生成。水从燃料电池免去废物。

现在,燃料电池操作的基本知识已解释过,我们看看这一过程在实验室。

开始执行程序,请安装槽和两个气收集瓶。用蒸馏水到零标记填充的外部容器。将气收集瓶放在外容器中。

接下来,连接电解槽使用油管气收集瓶。将太阳能电池板连接到电解槽使用跳线。电力生产的氢气将太阳能电池板放在阳光直接照射。如果没有足够的自然光照,模拟阳光使用一盏灯。

氢气和氧气的气体将开始进入内部气收集瓶。监控每个气体的量产于 30 秒的时间间隔,使用规模在外筒上标明。

当内筒完全充满氢气时,泡沫还是会出现从内筒,最终到达地表。在这一点上,太阳能电池板断开电解槽和关闭对氢燃气管,cincher,所以没有氢气的逃逸。请注意,还有是氢气产生氧气,作为预测在平衡的化学方程式为现在两倍的活。

燃料电池操作开始,在台阶顶上设置燃料电池。从电解槽拔下氢燃气管并将其连接到燃料电池。所需的氧气从空气中采。

连接到风扇或 LED 灯为了形象化发电的燃料电池。释放对氢燃气管,使燃料电池的气体流向不在话下。如果风扇不会开始旋转,按燃料电池鼓励气体流量分流阀。

风扇会继续旋转,直到一切氢气消耗。

有许多不同类型的燃料电池,现正发展成为清洁能源解决方案。在这里我们提出三种新兴技术。

固体氧化物燃料电池或固体氧化物燃料电池的是另一种类型的燃料电池的操作同样对质子交换膜燃料电池,除了透膜将被替换为固体氧化物。随着质子交换膜燃料电池,可操作性 SOFC 的减少暴露于污染物的气体含有的硫和碳。在此示例中,固体氧化物燃料电池电极是捏造的,然后暴露于典型的经营环境在高温硫和碳污染燃料。

采用电化学和拉曼光谱研究了电极表面中毒。结果表明当前被减少后硫中毒,但经济复苏是可能的。原子力显微镜研究阐明形态的碳沉积,可能会导致进一步的发展,以防止此中毒。

微生物燃料电池推导出电流从自然界中发现的细菌。在此示例中,细菌从废水处理厂获得了成长,和习惯培养生物膜。三电极电化学电池成立了,按顺序在电极表面的细菌培养。生物膜电化学产于几个生长周期。

由此产生的生物膜进行电化学然后测试胞外电子转移。电化学结果被用于理解电子转移和生物膜对微生物燃料电池中的潜在应用。

电解需要打破的能源水成氢气和氧气。这一进程是能源密集型规模大,但可以使用太阳能电池的小规模经营。

电解可替代能源来源是风力发电。在实验室里,电解可以供电与板凳规模风电机组。在这个演示中,风电机组被动力使用模拟的风由台式风扇产生的。

你刚看了质子交换膜燃料电池的朱庇特的简介。现在,您应该了解质子交换膜燃料电池的基本操作和生成的氢气通过电解。谢谢观赏 !

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