$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Yakıt hücreleri, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır ve temiz, alternatif bir enerji kaynağı olarak sıklıkla kullanılırlar.
Benzin, ABD'deki araçlar için hala birincil yakıt kaynağı olmasına rağmen, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak ve daha temiz enerji kaynakları üretmek için son yıllarda alternatif yakıt kaynakları araştırılmıştır.
Hidrojen yakıt hücreleri, yakıt olarak temiz hidrojen kullanır ve atık olarak sadece su üretir. Genellikle pillerle karşılaştırılsalar da, yakıt hücreleri, enerji depolayamadıkları ve enerji üretmek için sabit bir yakıt kaynağına ihtiyaç duydukları için otomobil motorlarına daha çok benzer. Sonuç olarak, sürekli yakıt hücresi çalışması için önemli miktarda hidrojene ihtiyaç vardır.
Bu video, hidrojen gazı üretmek için suyun laboratuvar ölçeğinde elektrolizini ve ardından küçük ölçekli bir hidrojen yakıt hücresinin çalışmasını tanıtacaktır.
Hidrojen, evrende en bol bulunan elementtir. Dünyada, öncelikle diğer elementlerle birlikte bileşiklerde bulunur. Bu nedenle, elementel hidrojeni yakıt olarak kullanmak için diğer bileşiklerden rafine edilmesi gerekir. Çoğu hidrojen gazı, hidrojeni metan gazından izole eden enerji yoğun metan reform işlemi yoluyla üretilir. Bununla birlikte, bu süreç son derece enerji yoğundur, fosil yakıtları kullanır ve önemli miktarlarda atık gazla sonuçlanır. Bu, iklim değişikliğine katkıda bulunur ve ayrıca yakıt hücrelerini zehirler ve çalışabilirliği azaltır.
Suyun elektrolizi, temiz hidrojen gazı, yani kirletici gazlardan arındırılmış hidrojen üretmek için alternatif bir yöntemdir. Elektrolizde su, bir elektrik akımı kullanılarak hidrojen ve oksijen gazına ayrılır. Bunu yapmak için, inert bir metalden yapılmış iki elektrota bir elektrik güç kaynağı bağlanır. Elektrotlar daha sonra suya yerleştirilir ve elektrik akımı uygulanır. Küçük ölçekli elektroliz için, suyu ayırmak için yeterli akım üretmek için bir pil veya küçük bir güneş paneli kullanılabilir. Bununla birlikte, büyük ölçekli uygulamalarda, daha yüksek enerji yoğunluğu kaynakları gereklidir.
Elektroliz reaksiyonu, bir oksidasyon-indirgeme veya redoks reaksiyonudur. Dengeli kimyasal reaksiyona göre oksijen moleküllerinin iki katı kadar hidrojen molekülü üretilir. Bu elektrokimyasal reaksiyondan üretilen hidrojen gazı, bir yakıt hücresinde yakıt olarak kullanılmak üzere toplanabilir ve depolanabilir. Bir proton değişim membranı veya PEM yakıt hücresi, kimyasal enerjiyi veya hidrojen gazını elektrik enerjisine dönüştürür. Elektrolizde olduğu gibi, PEM yakıt hücresi bir redoks reaksiyonu kullanır. Hidrojen gazı, protonlar ve elektronlar oluşturmak üzere oksitlendiği yakıt hücresi düzeneğinin anoduna iletilir.
Pozitif yüklü protonlar, proton değişim zarı boyunca katoda göç eder. Bununla birlikte, negatif yüklü elektronlar zara nüfuz edemez. Elektronlar, elektrik akımı sağlayan harici bir devreden geçer. Oksijen gazı, indirgeme reaksiyonunun meydana geldiği yakıt hücresi düzeneğinin katoduna iletilir. Orada oksijen, anotta üretilen protonlar ve elektronlarla reaksiyona girerek su oluşturur. Su daha sonra yakıt hücresinden atık olarak çıkarılır.
Yakıt hücresi çalışmasının temelleri açıklandığına göre, şimdi laboratuvarda bu sürece bakalım.
Prosedüre başlamak için elektrolizörü ve iki gaz toplama silindirini ayarlayın. Dış kapları sıfır işaretine kadar damıtılmış suyla doldurun. Gaz toplama silindirlerini dış kaplara yerleştirin.
Ardından, elektrolizörü boru kullanarak gaz toplama silindirlerine bağlayın. Jumper kablolarını kullanarak elektrolizöre bir güneş paneli bağlayın. Hidrojen gazı üretimine güç sağlamak için güneş panelini doğrudan güneş ışığına yerleştirin. Yeterli doğal ışık yoksa, bir lamba kullanarak güneş ışığını simüle edin.
Hidrojen ve oksijen gazı iç gaz toplama silindirlerine girmeye başlayacaktır. Dış silindirde işaretlenmiş ölçeği kullanarak 30 saniyelik aralıklarla üretilen her bir gazın hacmini izleyin.
İç silindir tamamen hidrojen gazı ile dolduğunda, iç silindirden kabarcıklar çıkacak ve sonunda yüzeye ulaşacaktır. Bu noktada, güneş panelini elektrolizörden ayırın ve hidrojen gazı tüpü üzerindeki cinccher'ı kapatın, böylece hidrojen gazının hiçbiri kaçmaz. Dengeli kimyasal denklemde tahmin edildiği gibi, oksijen gazından iki kat daha fazla hidrojen gazı üretildiğine dikkat edin.
Yakıt hücresini çalıştırmaya başlamak için yakıt hücresini tezgah üstüne yerleştirin. Hidrojen gazı borusunu elektrolizörden ayırın ve yakıt hücresine bağlayın. İhtiyaç duyulan oksijen havadan toplanır.
Güç üretimini görselleştirmek için yakıt hücresini bir fana veya LED ışığına bağlayın. Yakıt hücresine gaz akışını sağlamak için hidrojen gazı tüpündeki kıskacı serbest bırakın. Fan dönmeye başlamazsa, gaz akışını teşvik etmek için yakıt hücresindeki boşaltma valfine basın.
Fan, hidrojen gazının tamamı tüketilene kadar dönmeye devam edecektir.
Temiz enerji çözümleri olarak geliştirilmekte olan birçok farklı yakıt hücresi türü vardır. Burada gelişmekte olan üç teknolojiyi sunuyoruz.
Katı oksit yakıt hücreleri veya SOFC'ler, geçirgen zarın katı bir oksit ile değiştirilmesi dışında, bir PEM yakıt hücresine benzer şekilde çalışan başka bir yakıt hücresi türüdür. PEM yakıt hücrelerinde olduğu gibi, SOFC'nin çalışabilirliği, kükürt ve karbon içeren kirletici gazlara maruz kaldığında azalır. Bu örnekte, SOFC elektrotları üretildi ve daha sonra kükürt ve karbonla kirlenmiş yakıt varlığında yüksek sıcaklıkta tipik çalışma ortamlarına maruz bırakıldı.
Elektrot yüzey zehirlenmesi elektrokimya ve Raman spektroskopisi kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, kükürt zehirlenmesi üzerine akımın azaldığını, ancak bu iyileşmenin mümkün olduğunu gösterdi. Atomik kuvvet mikroskobu çalışmaları, karbon birikintilerinin morfolojisini aydınlattı ve bu da bu zehirlenmeyi önlemek için daha fazla gelişmeye yol açabilir.
Mikrobiyal bir yakıt hücresi, doğada bulunan bakterilerden elektrik akımı elde eder. Bu örnekte, atık su arıtma tesislerinden elde edilen bakteriler büyütülmüş ve biyofilm kültüründe kullanılmıştır. Bir elektrotun yüzeyindeki bakterileri kültürlemek için üç elektrotlu bir elektrokimyasal hücre kuruldu. Biyofilm, çeşitli büyüme döngülerinde elektrokimyasal olarak büyütüldü.
Elde edilen biyofilm daha sonra elektrokimyasal olarak hücre dışı elektron transferi için test edildi. Elektrokimyasal sonuçlar daha sonra elektron transferini ve biyofilmin mikrobiyal yakıt hücrelerine potansiyel uygulamasını anlamak için kullanıldı.
Elektroliz, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için enerji gerektirir. Bu işlem büyük ölçekte enerji yoğundur, ancak bir güneş pili kullanılarak küçük ölçekte çalıştırılabilir.
Elektroliz için alternatif bir enerji kaynağı rüzgar enerjisidir. Laboratuvarda, elektroliz tezgah ölçekli bir rüzgar türbini ile çalıştırılabilir. Bu gösteride, rüzgar türbini, bir masa üstü fan tarafından üretilen simüle edilmiş rüzgar kullanılarak çalıştırıldı.
JoVE'nin PEM yakıt hücresiyle tanışma sürecini az önce izlediniz. Artık bir PEM yakıt hücresinin temel çalışmasını ve elektroliz yoluyla hidrojen gazı üretimini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!
