プロトン交換膜燃料電池

Environmental Science

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Overview

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。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 環境科学の本質. プロトン交換膜燃料電池. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

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。

Figure 1
図 1: 図作り出します。

Figure 2
図 2: PEM 燃料電池。

Procedure

1. 水素ガスを生成するのにこの電解槽を使用

  1. 電解槽 (図 3) をセットアップします。
  2. ガスボンベ コレクションを設定すると、0 のマーク (図 4) では外筒に蒸溜された水のレベルを確かめます。
  3. この電解槽をガスボンベ コレクション (図 5) に接続します。
  4. 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、直射日光 (図 6) を公開します。太陽をシミュレートする電球とランプを使用して、その日を天気が協力していない場合に注意してください。
  5. H2と O2ガスが内筒 (図 7) を入力を開始されます。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。H2ガス内筒いっぱいに約 10 分かかります。
  6. 内筒は、H2ガスの完全が、いくつかの泡必要があります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、エスケープ H2ガスのどれも、H2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。

2. 燃料電池

  1. 燃料電池 (図 8) をセットアップします。
  2. この電解槽から H2ガス管を外し、燃料電池に接続します。
  3. ファン (またはファンが利用できます (図 9) ではない場合は、LED の光) に燃料電池を接続し、H2ガス管 (図 10) に鞍帯をリリースします。ファンが回転を始める必要があります。、ガスの流れを得るためには、燃料セルのパージ バルブを押していない場合。
  4. ファンは、すべての H2ガスがなくなるまで回転を続けています。これは約 5 分を持続させるべき。

Figure 3
図 3: この電解槽の画像。

Figure 4
図 4: コレクション ガスボンベ蒸留水位が 0 に等しい。

Figure 5
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。

Figure 6
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。

Figure 7
図 7: シリンダーに入るガスの例。

Figure 8
図 8: 燃料電池の画像。

Figure 9
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。

Figure 10
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!

Results

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

Applications and Summary

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。

1. 水素ガスを生成するのにこの電解槽を使用

  1. 電解槽 (図 3) をセットアップします。
  2. ガスボンベ コレクションを設定すると、0 のマーク (図 4) では外筒に蒸溜された水のレベルを確かめます。
  3. この電解槽をガスボンベ コレクション (図 5) に接続します。
  4. 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、直射日光 (図 6) を公開します。太陽をシミュレートする電球とランプを使用して、その日を天気が協力していない場合に注意してください。
  5. H2と O2ガスが内筒 (図 7) を入力を開始されます。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。H2ガス内筒いっぱいに約 10 分かかります。
  6. 内筒は、H2ガスの完全が、いくつかの泡必要があります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、エスケープ H2ガスのどれも、H2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。

2. 燃料電池

  1. 燃料電池 (図 8) をセットアップします。
  2. この電解槽から H2ガス管を外し、燃料電池に接続します。
  3. ファン (またはファンが利用できます (図 9) ではない場合は、LED の光) に燃料電池を接続し、H2ガス管 (図 10) に鞍帯をリリースします。ファンが回転を始める必要があります。、ガスの流れを得るためには、燃料セルのパージ バルブを押していない場合。
  4. ファンは、すべての H2ガスがなくなるまで回転を続けています。これは約 5 分を持続させるべき。

Figure 3
図 3: この電解槽の画像。

Figure 4
図 4: コレクション ガスボンベ蒸留水位が 0 に等しい。

Figure 5
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。

Figure 6
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。

Figure 7
図 7: シリンダーに入るガスの例。

Figure 8
図 8: 燃料電池の画像。

Figure 9
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。

Figure 10
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!

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