Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Environmental Science

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Overview

Quelle: Labors von Margaret Workman und Kimberly Frye - Depaul University

Die Vereinigten Staaten eine große Menge an Energie verbraucht – der aktuelle Satz beträgt jährlich rund 97,5 Billiarden Btu. Die überwiegende Mehrheit (90 %) dieser Energie stammt aus nicht erneuerbaren Energiequellen. Diese Energie dient für Strom (39 %), Transport (28 %), Industrie (22 %) und Wohn-/Geschäfts-verwenden (11 %). Wie die Welt eine begrenzte Menge an dieser nicht-erneuerbaren Quellen hat, baut der Vereinigten Staaten (unter anderem) die Verwendung von erneuerbaren Energiequellen auf zukünftigen Energiebedarf zu decken. Eine dieser Quellen ist Wasserstoff.

Wasserstoff gilt als eine mögliche erneuerbare Energiequelle, weil sie viele wichtige Kriterien erfüllen: Es ist im Inland zur Verfügung, es hat nur wenige Schadstoffe, Energie effizient, und es ist einfach zu nutzen. Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, ist es nur in zusammengesetzten Form auf der Erde gefunden. Zum Beispiel wird es mit Sauerstoff im Wasser als H2O. kombiniert Als Kraftstoff nützlich zu sein, muss es in der Form von H2 Gas. Wenn Wasserstoff als Kraftstoff für Autos oder andere elektronische Geräte verwendet werden soll, muss daher H2 zuerst gemacht werden. Thusly, Wasserstoff oft ein "Energieträger" anstatt "Kraftstoff." nennt

Derzeit ist die beliebteste Art, H2 Gas zu machen von fossilen Brennstoffen durch Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlevergasung. Dies verringert nicht die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und energieintensiv. Eine selten verwendete Methode ist durch Elektrolyse von Wasser. Dies erfordert auch eine Energiequelle, aber es ist eine erneuerbare Energiequelle, wie Wind- oder Sonnenenergie. Bei Elektrolyse ist Wasser (H2O) in seine Bestandteile, Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), durch eine elektrochemische Reaktion gespalten. Das Wasserstoffgas gemacht durch den Prozess der Elektrolyse kann dann in ein Proton Exchange Membrane (PEM) Brennstoffzelle, Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden. Dieser elektrische Strom kann verwendet werden, um Motoren, Beleuchtung und andere elektrische Geräte anzutreiben.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Environmental Science. Proton Exchange Membrane Fuel Cells. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Teil I des Experimentes beinhaltet die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse. Bei Elektrolyse ist die Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff, durch die folgende elektrochemische Reaktion:

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

Es gibt doppelt so viele Wasserstoff-Moleküle als Sauerstoff-Moleküle hergestellt. Diese Reaktion geschieht nicht spontan und braucht eine Quelle der elektrischen Energie, z.B., ein Solar-Panel. Dies ist eine Oxidations-Reduktions-Reaktion. Diese Arten von chemischen Reaktionen können in zwei Teile aufgeteilt werden: die Oxidationsreaktion und der Reduktionsreaktion. Diese nennt man Halbreaktionen. Bei der Oxidation Halbreaktion werden Elektronen freigesetzt. Bei der Reduktion Halbreaktion werden Elektronen akzeptiert.

Oxidation: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(Aq) + 4 e
Reduktion: 4 H+(Aq) + 4 e → 2 H2(g)

Das Wasserstoffgas kann gesammelt und für die Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt in einer Brennstoffzelle (PEM) (Abbildung 1) gespeichert.

Teil II dieses Experiments beinhaltet die Verwendung des gespeicherte Wasserstoffgas als Brennstoff zur Stromerzeugung um ein Fan zu versorgen. Die Brennstoffzelle verwendet in diesem Experiment ist eine PEM-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle ist wie eine Batterie, insofern es Strom durch eine chemische Reaktion erzeugt, die die Übertragung von Elektronen einschließt. In der PEM-Brennstoffzelle sind die halbe Reaktionen wie folgt:

Oxidation: 2 H2(g) → 4 H+(Aq) + 4 e
Reduktion: 4 H+(Aq) + O2(g) + 4 e → 2 H2O(l)

Die Gesamtreaktion ist: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + Energie

Diese halb-Reaktionen an den Elektroden auftreten (Leiter über die Strom-Pässe). In der PEM-Brennstoffzelle gibt es zwei Elektroden: Anode und eine Kathode. Oxidation Auftritt an der Anode. An der Kathode kommt. Also, in der PEM-Brennstoffzelle an der Anode Wasserstoffgas oxidiert, und Elektronen in den Kreislauf freigesetzt werden. An der Kathode Sauerstoffgas wird reduziert und Wasser entsteht. In der PEM-Brennstoffzelle trennt eine Proton Exchange Membrane die beiden Elektroden. Diese Membran kann Protonen (H+) durchfließen, aber verhindert, dass Elektronen in der Membran. Somit sind die Elektronen gezwungen, durchfließen den Stromkreis (Abbildung 2).

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung ein Elektrolyseur.

Figure 2
Abbildung 2: PEM-Brennstoffzelle.

Procedure

1. benutzen den Elektrolyseur Wasserstoffgas produzieren

  1. Richten Sie den Elektrolyseur (Abbildung 3).
  2. Richten Sie die Gasflaschen-Sammlung, ist sicherstellen, dass das destillierte Wasser-Niveau in der äußere Zylinder 0-Marke (Abbildung 4).
  3. Schließen Sie den Elektrolyseur an Sammlung Gasflaschen (Abbildung 5).
  4. Ein Solar-Panel an den Elektrolyseur über Jumper Kabel anschließen und direktem Sonnenlicht (Abbildung 6) aussetzen. Hinweis: Wenn das Wetter an diesem Tag verwenden Sie eine Lampe mit einer Glühbirne, die Sonne zu simulieren nicht kooperiert.
  5. H2 und O2 Gas beginnt Eingabe der innere Zylinder (Abbildung 7). Monitor die Lautstärke jedes Gas in Intervallen von 30 s, produziert mit der Skala markiert auf dem äußeren Zylinder. Es dauert ca. 10 min, um den inneren Zylinder mit H2 Gas zu füllen.
  6. Wenn der innere Zylinder vollständig mit H2 Gas ist, sollten einige Luftblasen aus dem inneren Zylinder, schließlich erreichen die Oberfläche entstehen. Zu diesem Zeitpunkt trennen Sie die Solarzellenplatte vom Electrolyzer und schließen Sie Cincher auf die H-2 -Gasschlauch zu, so dass keines der H2 Gas entweicht. Hinweis Es ist doppelt so viel Wasserstoff als Sauerstoffgas, wie vorhergesagt, in der ausgeglichene Reaktionsgleichung hergestellt.

(2) Brennstoffzelle

  1. Einrichten einer Brennstoffzelle (Abbildung 8).
  2. Electrolyzer trennen Sie H2 Gas Schlauch und verbinden Sie es mit der Brennstoffzelle.
  3. Verbinden Sie die Brennstoffzelle mit Fan (oder eine LED-Leuchte, wenn ein Fan nicht verfügbar (Abbildung 9 ist)) und lassen Sie das Cinch auf H-2 -Gasschlauch (Abbildung 10). Der Lüfter sollte Spinnen beginnen. Wenn dies nicht der Fall ist, drücken Sie das Aufräum-Ventil auf die Brennstoffzelle zu Gas fließt.
  4. Der Ventilator wird Spinnen fortgesetzt, bis alle H2 Gas verbraucht wird. Dies sollte ungefähr 5 min dauern.

Figure 3
Abbildung 3: Ein Bild von den Elektrolyseur.

Figure 4
Abbildung 4: Sammlung Gasflaschen mit destilliertem Wasser gleich 0.

Figure 5
Abbildung 5: Ein Bild des Electrolyzer angeschlossen an die Gasflaschen-Sammlung.

Figure 6
Abbildung 6: Das Solar-Panel an den Elektrolyseur mit Jumper-Kabel angeschlossen.

Figure 7
Abbildung 7: Ein Beispiel für das Gas in den Zylindern.

Figure 8
Abbildung 8: Ein Bild einer Brennstoffzelle.

Figure 9
Abbildung 9: Die Brennstoffzelle mit einer LED-Beleuchtung statt ein Fan verbunden.

Figure 10
Abbildung 10: Electrolyzer verbunden mit der Brennstoffzelle, die mit dem Lüfter verbunden ist.

Brennstoffzellen sind Geräte, die chemischen Energie in elektrische Energie umwandeln, und dienen häufig als eine saubere, alternative Energiequelle.

Obwohl Benzin noch die primäre Energiequelle für Fahrzeuge in den USA ist, alternative Energiequellen erforscht, in den letzten Jahrzehnten um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und sauberere Energiequellen zu erzeugen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sauber Wasserstoff als Brennstoff zu nutzen und nur Wasser als Abfall zu produzieren. Obwohl sie oft im Vergleich zu Batterien, sind Brennstoffzellen vergleichbar mit Automotoren, da sie nicht Energie speichern und erfordern eine ständige Quelle von Brennstoff, um Energie zu produzieren. Dadurch wird eine erhebliche Menge an Wasserstoff für konstante Brennstoffzellen-Betrieb benötigt.

Dieses Video führt Labormaßstab Elektrolyse von Wasser, Wasserstoffgas, gefolgt von den Betrieb einer kleinen Wasserstoff-Brennstoffzelle zu produzieren.

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Auf der Erde ist es vor allem in Verbindungen mit anderen Elementen gefunden. Um elementare Wasserstoff als Brennstoff zu verwenden, muss es deshalb von anderen Verbindungen verfeinert. Die meisten Wasserstoffgas entsteht durch die Reformierung der energieintensiven Methan, die Wasserstoff aus Methan-Gas isoliert. Aber dieser Vorgang ist extrem energieintensiv, nutzt fossile Brennstoffe und führt in signifikanten Mengen von Abgasen. Dies trägt zum Klimawandel, und auch Gifte Brennstoffzellen und Bedienbarkeit vermindert.

Die Elektrolyse von Wasser ist eine alternative Methode zur Herstellung von sauberen Wasserstoffgas, Bedeutung Wasserstoff, das frei von Verunreinigungen Gase. Bei Elektrolyse ist die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff Gas, mit elektrischem Strom. Um dies zu tun, ist eine Stromquelle mit zwei Elektroden verbunden, aus einem inerten Metall bestehen. Die Elektroden sind dann ins Wasser und elektrischer Strom angewendet. Für kleine Elektrolyse eine Batterie oder kleine Solar-Panel lässt sich genug Strom zur Spaltung von Wasser zu erzeugen. Aber in großen Anwendungen, höhere Energiedichte Quellen erforderlich sind.

Die Elektrolyse-Reaktion ist eine Oxidations-Reduktions oder Redox, Reaktion. Nach der ausgeglichenen chemischen Reaktion gibt es doppelt so viele Wasserstoff-Moleküle als Sauerstoff-Moleküle produziert. Das Wasserstoffgas erzeugt aus dieser elektrochemischen Reaktion kann gesammelt und für die Verwendung als Brennstoff in einer Brennstoffzelle gespeichert. Ein Proton Exchange Membrane oder PEM, Brennstoffzelle wandelt chemische Energie oder Wasserstoffgas in elektrische Energie. Wie bei der Elektrolyse, beschäftigt die PEM-Brennstoffzelle eine Redoxreaktion. Wasserstoffgas wird geliefert an der Anode der Brennstoffzelle Versammlung, wo es zu Form oxidiert Protonen und Elektronen.

Die positiv geladenen Protonen wandern über die Proton-Austausch-Membran zur Kathode. Die negativ geladenen Elektronen sind jedoch nicht in der Lage, die Membran zu durchdringen. Die Elektronen Reisen Sie durch einen externen Kreislauf, Bereitstellung von elektrischem Strom. Sauerstoffgas wird an der Kathode der Brennstoffzelle Versammlung, wo tritt der Reduktionsreaktion geliefert. Dort reagiert der Sauerstoff mit den Protonen und Elektronen, die an der Anode zu Wasser erzeugt wurden. Das Wasser wird dann aus der Brennstoffzelle als Abfall entfernt.

Jetzt, da die Grundlagen der Brennstoffzellen-Betrieb beschrieben haben, betrachten wir diesen Prozess im Labor.

Um den Vorgang zu starten, richten Sie den Elektrolyseur und die zwei Gasflaschen Sammlung. Füllen Sie die äußeren Container mit destilliertem Wasser auf die Nullmarke. Legen Sie die Gasflaschen Sammlung in die äußeren Container.

Schließen Sie als nächstes den Elektrolyseur an die Gasflaschen Sammlung mit Schlauch. Schließen Sie ein Solar-Panel an den Elektrolyseur über Jumper Kabel an. Legen Sie das Solarpanel bei direkter Sonneneinstrahlung um die Produktion von Wasserstoffgas anzutreiben. Wenn nicht genug natürliches Licht vorhanden ist, simuliert Sonnenlicht mit einer Lampe.

Eingabe der inneren Sammlung Gasflaschen beginnt Wasserstoff und Sauerstoff. Monitor die Lautstärke jedes Gas in Intervallen von 30 s, produziert mit der Skala markiert auf dem äußeren Zylinder.

Wenn der innere Zylinder vollständig mit Wasserstoffgas ist, entstehen Luftblasen aus dem inneren Zylinder, schließlich erreichen die Oberfläche. An dieser Stelle Electrolyzer trennen Sie das Solarpanel und schließen Sie Cincher auf dem Wasserstoff-Gas-Schlauch, so dass keiner der das Wasserstoffgas entweicht. Hinweis: Es ist doppelt so viel Wasserstoff als Sauerstoffgas, wie vorhergesagt, in der ausgeglichene Reaktionsgleichung hergestellt.

Um Brennstoffzellen-Vorgang zu starten, setzen Sie die Brennstoffzelle auf den Tisch. Der Elektrolyseur trennen Sie den Wasserstoff-Gas-Schlauch und verbinden Sie es mit der Brennstoffzelle. Der benötigte Sauerstoff wird aus der Luft gesammelt.

Verbinden Sie die Brennstoffzelle mit einem Ventilator oder LED-Licht zur Stromerzeugung zu visualisieren. Lassen Sie das Cinch auf die Wasserstoff-Gasschlauch Gasstrom der Brennstoffzelle zu ermöglichen. Wenn der Lüfter nicht Spinnen beginnt, drücken Sie das Aufräum-Ventil auf die Brennstoffzelle Gasstrom zu fördern.

Der Ventilator wird weiter drehen, bis alle das Wasserstoffgas wird verbraucht.

Es gibt viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die als saubere Energielösungen entwickelt werden. Hier stellen wir Ihnen drei neue Technologien.

Festoxid-Brennstoffzellen oder SOFC, sind eine andere Art von Brennstoffzellen, die in ähnlicher Weise zu einer PEM-Brennstoffzelle betreiben, außer die durchlässige Membran mit einer SOFC ersetzt wird. Wie bei PEM-Brennstoffzellen, Gase Funktionsfähigkeit der SOFC Abnahme nach Exposition mit Verunreinigung mit Schwefel und Kohlenstoff. In diesem Beispiel SOFC Elektroden hergestellt wurden, und dann zu typischen Betrieb ausgesetzt Umgebungen bei hohen Temperaturen in Gegenwart von Schwefel und Kohlenstoff verunreinigt Kraftstoff.

Elektrode Oberfläche Vergiftung war mit Elektrochemie und Raman-Spektroskopie untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Strom wurde auf Schwefel Vergiftung vermindert, aber diese Erholung möglich war. Atomic Force Microscopy Studien erläutert die Morphologie der Verbrennungsrückstände, die für die weitere Entwicklung führen können, um diese Vergiftung zu verhindern.

Eine mikrobielle Brennstoffzelle leitet elektrischen Strom von Bakterien in der Natur gefunden. In diesem Beispiel wurden Bakterien aus Kläranlagen erworben angebaut und zur Kultur Biofilmen. Eine elektrochemische Zelle drei Elektrode wurde eingerichtet, um zu Kultur Bakterien auf der Oberfläche der Elektrode. Der Biofilm wurde in mehrere Wachstumszyklen elektrochemisch angebaut.

Der daraus resultierende Biofilm wurde dann für extrazelluläre Elektronentransfer elektrochemisch getestet. Die elektrochemische Ergebnisse wurden dann zur Elektronentransfer und die mögliche Anwendung des Biofilms zu mikrobiellen Brennstoffzellen zu verstehen.

Elektrolyse erfordert Energie, brechen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Prozess ist energieintensiv auf der großen Skala, aber die kleine Waage mit einer Solarzelle betrieben werden kann.

Eine alternative Energiequelle für die Elektrolyse ist Windkraft. Im Labor kann Elektrolyse mit einer Tischwaage Windturbine angetrieben werden. In dieser Demo wurde die Windturbine angetrieben mit simulierten Wind erzeugt durch ein Tabletop Fan.

Sie sah nur Jupiters Einführung in die PEM-Brennstoffzelle. Sie sollten nun die grundlegende Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle und die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse verstehen. Danke fürs Zuschauen!

Results

Während der Elektrolyse-Verfahren Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden, sobald das Solarpanel angeschlossen und dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Es dauert ca. 10 min zu erzeugen genug H2 Gas um den inneren Zylinder (Tabelle 1) zu füllen. Beachten Sie, dass gibt es doppelt so viel H2 O2, generiert, wie in der ausgeglichenen Gleichung zu sehen:

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

Sobald die H-2 -Gas erzeugt und der Schlauch an der Brennstoffzelle angeschlossen ist, die Brennstoffzelle erzeugt Strom und bewirkt, dass den Lüfter zu drehen. Dies dauert ca. 10 min auf einem vollen Zylinder H2 Gas.

Zeit (s) Wasserstoff (mL) Sauerstoff erzeugt (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

Tabelle 1: Zeitaufwand für die Erzeugung von verschiedenen Wasserstoff und Sauerstoff-Mengen

Applications and Summary

Wasserstoff ist ein flexibler Kraftstoff. Es kann vor Ort in kleinen Mengen für den lokalen Gebrauch oder in großen Mengen an einem zentralen Standort hergestellt werden. Der Wasserstoff kann dann verwendet werden, zur Stromerzeugung mit nur Wasser als Nebenprodukt (vorausgesetzt, eine erneuerbare Energiequelle, wie eine Windkraftanlage verwendet wurde, um das Wasserstoffgas zu generieren). Beispielsweise hat das Wind2H2-Projekt in Boulder, Colorado, Windturbinen und Solarzellen an Elektrolyseure, die Wasserstoffgas aus Wasser zu produzieren und dann speichert verwendet werden in ihren Wasserstoff Tankstelle angeschlossen.

Dieser Prozess kann auch verwendet werden, machen Autos auf Wasserstoff (H2) statt fossiler Brennstoffe ausgeführt. Wenn eine PEM-Brennstoffzelle im Auto montiert ist, kann Strom verwendet werden, um den Motor zum laufen zu bringen. Der einzige Auspuff wäre Wasser (H2O). Aus Sicht der Luft-Verschmutzung ist dies vorteilhaft. Es gibt viele Prototypen-Brennstoffzellen-Autos, die von großen Automobilhersteller entwickelt. Durch die Menge an Speicherplatz zum Speichern von komprimierten Wasserstoff-Tanks an einem Fahrzeug derzeit erforderlich sind vor allem Wasserstoff-Brennstoffzellen auf Busse gesehen. Brennstoffzellen-Busse finden Sie in mehreren Ländern auf der ganzen Welt. Es gibt einige technische Probleme, die behoben werden, bevor Brennstoffzellen-Autos eine echte Alternative zum Verbrennungsmotor Motor Autos einschließlich der Bereitstellung von mehr Infrastruktur sind, Reduzierung von Kosten und die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen bei der H2 Gas müssen.

Darüber hinaus können Wasserstoff-Brennstoffzellen anstelle von Batterien für Dinge wie Videokameras und Radios verwendet werden. Ein Beispiel ist das UPP-Gerät, das ist eine portable Power Pack basierend auf Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie, die verwendet werden kann, um USB-kompatible Geräte aufzuladen.

1. benutzen den Elektrolyseur Wasserstoffgas produzieren

  1. Richten Sie den Elektrolyseur (Abbildung 3).
  2. Richten Sie die Gasflaschen-Sammlung, ist sicherstellen, dass das destillierte Wasser-Niveau in der äußere Zylinder 0-Marke (Abbildung 4).
  3. Schließen Sie den Elektrolyseur an Sammlung Gasflaschen (Abbildung 5).
  4. Ein Solar-Panel an den Elektrolyseur über Jumper Kabel anschließen und direktem Sonnenlicht (Abbildung 6) aussetzen. Hinweis: Wenn das Wetter an diesem Tag verwenden Sie eine Lampe mit einer Glühbirne, die Sonne zu simulieren nicht kooperiert.
  5. H2 und O2 Gas beginnt Eingabe der innere Zylinder (Abbildung 7). Monitor die Lautstärke jedes Gas in Intervallen von 30 s, produziert mit der Skala markiert auf dem äußeren Zylinder. Es dauert ca. 10 min, um den inneren Zylinder mit H2 Gas zu füllen.
  6. Wenn der innere Zylinder vollständig mit H2 Gas ist, sollten einige Luftblasen aus dem inneren Zylinder, schließlich erreichen die Oberfläche entstehen. Zu diesem Zeitpunkt trennen Sie die Solarzellenplatte vom Electrolyzer und schließen Sie Cincher auf die H-2 -Gasschlauch zu, so dass keines der H2 Gas entweicht. Hinweis Es ist doppelt so viel Wasserstoff als Sauerstoffgas, wie vorhergesagt, in der ausgeglichene Reaktionsgleichung hergestellt.

(2) Brennstoffzelle

  1. Einrichten einer Brennstoffzelle (Abbildung 8).
  2. Electrolyzer trennen Sie H2 Gas Schlauch und verbinden Sie es mit der Brennstoffzelle.
  3. Verbinden Sie die Brennstoffzelle mit Fan (oder eine LED-Leuchte, wenn ein Fan nicht verfügbar (Abbildung 9 ist)) und lassen Sie das Cinch auf H-2 -Gasschlauch (Abbildung 10). Der Lüfter sollte Spinnen beginnen. Wenn dies nicht der Fall ist, drücken Sie das Aufräum-Ventil auf die Brennstoffzelle zu Gas fließt.
  4. Der Ventilator wird Spinnen fortgesetzt, bis alle H2 Gas verbraucht wird. Dies sollte ungefähr 5 min dauern.

Figure 3
Abbildung 3: Ein Bild von den Elektrolyseur.

Figure 4
Abbildung 4: Sammlung Gasflaschen mit destilliertem Wasser gleich 0.

Figure 5
Abbildung 5: Ein Bild des Electrolyzer angeschlossen an die Gasflaschen-Sammlung.

Figure 6
Abbildung 6: Das Solar-Panel an den Elektrolyseur mit Jumper-Kabel angeschlossen.

Figure 7
Abbildung 7: Ein Beispiel für das Gas in den Zylindern.

Figure 8
Abbildung 8: Ein Bild einer Brennstoffzelle.

Figure 9
Abbildung 9: Die Brennstoffzelle mit einer LED-Beleuchtung statt ein Fan verbunden.

Figure 10
Abbildung 10: Electrolyzer verbunden mit der Brennstoffzelle, die mit dem Lüfter verbunden ist.

Brennstoffzellen sind Geräte, die chemischen Energie in elektrische Energie umwandeln, und dienen häufig als eine saubere, alternative Energiequelle.

Obwohl Benzin noch die primäre Energiequelle für Fahrzeuge in den USA ist, alternative Energiequellen erforscht, in den letzten Jahrzehnten um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und sauberere Energiequellen zu erzeugen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen sauber Wasserstoff als Brennstoff zu nutzen und nur Wasser als Abfall zu produzieren. Obwohl sie oft im Vergleich zu Batterien, sind Brennstoffzellen vergleichbar mit Automotoren, da sie nicht Energie speichern und erfordern eine ständige Quelle von Brennstoff, um Energie zu produzieren. Dadurch wird eine erhebliche Menge an Wasserstoff für konstante Brennstoffzellen-Betrieb benötigt.

Dieses Video führt Labormaßstab Elektrolyse von Wasser, Wasserstoffgas, gefolgt von den Betrieb einer kleinen Wasserstoff-Brennstoffzelle zu produzieren.

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Auf der Erde ist es vor allem in Verbindungen mit anderen Elementen gefunden. Um elementare Wasserstoff als Brennstoff zu verwenden, muss es deshalb von anderen Verbindungen verfeinert. Die meisten Wasserstoffgas entsteht durch die Reformierung der energieintensiven Methan, die Wasserstoff aus Methan-Gas isoliert. Aber dieser Vorgang ist extrem energieintensiv, nutzt fossile Brennstoffe und führt in signifikanten Mengen von Abgasen. Dies trägt zum Klimawandel, und auch Gifte Brennstoffzellen und Bedienbarkeit vermindert.

Die Elektrolyse von Wasser ist eine alternative Methode zur Herstellung von sauberen Wasserstoffgas, Bedeutung Wasserstoff, das frei von Verunreinigungen Gase. Bei Elektrolyse ist die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff Gas, mit elektrischem Strom. Um dies zu tun, ist eine Stromquelle mit zwei Elektroden verbunden, aus einem inerten Metall bestehen. Die Elektroden sind dann ins Wasser und elektrischer Strom angewendet. Für kleine Elektrolyse eine Batterie oder kleine Solar-Panel lässt sich genug Strom zur Spaltung von Wasser zu erzeugen. Aber in großen Anwendungen, höhere Energiedichte Quellen erforderlich sind.

Die Elektrolyse-Reaktion ist eine Oxidations-Reduktions oder Redox, Reaktion. Nach der ausgeglichenen chemischen Reaktion gibt es doppelt so viele Wasserstoff-Moleküle als Sauerstoff-Moleküle produziert. Das Wasserstoffgas erzeugt aus dieser elektrochemischen Reaktion kann gesammelt und für die Verwendung als Brennstoff in einer Brennstoffzelle gespeichert. Ein Proton Exchange Membrane oder PEM, Brennstoffzelle wandelt chemische Energie oder Wasserstoffgas in elektrische Energie. Wie bei der Elektrolyse, beschäftigt die PEM-Brennstoffzelle eine Redoxreaktion. Wasserstoffgas wird geliefert an der Anode der Brennstoffzelle Versammlung, wo es zu Form oxidiert Protonen und Elektronen.

Die positiv geladenen Protonen wandern über die Proton-Austausch-Membran zur Kathode. Die negativ geladenen Elektronen sind jedoch nicht in der Lage, die Membran zu durchdringen. Die Elektronen Reisen Sie durch einen externen Kreislauf, Bereitstellung von elektrischem Strom. Sauerstoffgas wird an der Kathode der Brennstoffzelle Versammlung, wo tritt der Reduktionsreaktion geliefert. Dort reagiert der Sauerstoff mit den Protonen und Elektronen, die an der Anode zu Wasser erzeugt wurden. Das Wasser wird dann aus der Brennstoffzelle als Abfall entfernt.

Jetzt, da die Grundlagen der Brennstoffzellen-Betrieb beschrieben haben, betrachten wir diesen Prozess im Labor.

Um den Vorgang zu starten, richten Sie den Elektrolyseur und die zwei Gasflaschen Sammlung. Füllen Sie die äußeren Container mit destilliertem Wasser auf die Nullmarke. Legen Sie die Gasflaschen Sammlung in die äußeren Container.

Schließen Sie als nächstes den Elektrolyseur an die Gasflaschen Sammlung mit Schlauch. Schließen Sie ein Solar-Panel an den Elektrolyseur über Jumper Kabel an. Legen Sie das Solarpanel bei direkter Sonneneinstrahlung um die Produktion von Wasserstoffgas anzutreiben. Wenn nicht genug natürliches Licht vorhanden ist, simuliert Sonnenlicht mit einer Lampe.

Eingabe der inneren Sammlung Gasflaschen beginnt Wasserstoff und Sauerstoff. Monitor die Lautstärke jedes Gas in Intervallen von 30 s, produziert mit der Skala markiert auf dem äußeren Zylinder.

Wenn der innere Zylinder vollständig mit Wasserstoffgas ist, entstehen Luftblasen aus dem inneren Zylinder, schließlich erreichen die Oberfläche. An dieser Stelle Electrolyzer trennen Sie das Solarpanel und schließen Sie Cincher auf dem Wasserstoff-Gas-Schlauch, so dass keiner der das Wasserstoffgas entweicht. Hinweis: Es ist doppelt so viel Wasserstoff als Sauerstoffgas, wie vorhergesagt, in der ausgeglichene Reaktionsgleichung hergestellt.

Um Brennstoffzellen-Vorgang zu starten, setzen Sie die Brennstoffzelle auf den Tisch. Der Elektrolyseur trennen Sie den Wasserstoff-Gas-Schlauch und verbinden Sie es mit der Brennstoffzelle. Der benötigte Sauerstoff wird aus der Luft gesammelt.

Verbinden Sie die Brennstoffzelle mit einem Ventilator oder LED-Licht zur Stromerzeugung zu visualisieren. Lassen Sie das Cinch auf die Wasserstoff-Gasschlauch Gasstrom der Brennstoffzelle zu ermöglichen. Wenn der Lüfter nicht Spinnen beginnt, drücken Sie das Aufräum-Ventil auf die Brennstoffzelle Gasstrom zu fördern.

Der Ventilator wird weiter drehen, bis alle das Wasserstoffgas wird verbraucht.

Es gibt viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die als saubere Energielösungen entwickelt werden. Hier stellen wir Ihnen drei neue Technologien.

Festoxid-Brennstoffzellen oder SOFC, sind eine andere Art von Brennstoffzellen, die in ähnlicher Weise zu einer PEM-Brennstoffzelle betreiben, außer die durchlässige Membran mit einer SOFC ersetzt wird. Wie bei PEM-Brennstoffzellen, Gase Funktionsfähigkeit der SOFC Abnahme nach Exposition mit Verunreinigung mit Schwefel und Kohlenstoff. In diesem Beispiel SOFC Elektroden hergestellt wurden, und dann zu typischen Betrieb ausgesetzt Umgebungen bei hohen Temperaturen in Gegenwart von Schwefel und Kohlenstoff verunreinigt Kraftstoff.

Elektrode Oberfläche Vergiftung war mit Elektrochemie und Raman-Spektroskopie untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Strom wurde auf Schwefel Vergiftung vermindert, aber diese Erholung möglich war. Atomic Force Microscopy Studien erläutert die Morphologie der Verbrennungsrückstände, die für die weitere Entwicklung führen können, um diese Vergiftung zu verhindern.

Eine mikrobielle Brennstoffzelle leitet elektrischen Strom von Bakterien in der Natur gefunden. In diesem Beispiel wurden Bakterien aus Kläranlagen erworben angebaut und zur Kultur Biofilmen. Eine elektrochemische Zelle drei Elektrode wurde eingerichtet, um zu Kultur Bakterien auf der Oberfläche der Elektrode. Der Biofilm wurde in mehrere Wachstumszyklen elektrochemisch angebaut.

Der daraus resultierende Biofilm wurde dann für extrazelluläre Elektronentransfer elektrochemisch getestet. Die elektrochemische Ergebnisse wurden dann zur Elektronentransfer und die mögliche Anwendung des Biofilms zu mikrobiellen Brennstoffzellen zu verstehen.

Elektrolyse erfordert Energie, brechen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Prozess ist energieintensiv auf der großen Skala, aber die kleine Waage mit einer Solarzelle betrieben werden kann.

Eine alternative Energiequelle für die Elektrolyse ist Windkraft. Im Labor kann Elektrolyse mit einer Tischwaage Windturbine angetrieben werden. In dieser Demo wurde die Windturbine angetrieben mit simulierten Wind erzeugt durch ein Tabletop Fan.

Sie sah nur Jupiters Einführung in die PEM-Brennstoffzelle. Sie sollten nun die grundlegende Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle und die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse verstehen. Danke fürs Zuschauen!

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