Overview
מקור: מעבדות של מרגרט וורקמן וקימברלי פריי - אוניברסיטת דפול
ארצות הברית צורכת כמות גדולה של אנרגיה – הקצב הנוכחי הוא סביב 97.5 quadrillion BTUs בשנה. הרוב המכריע (90%) של אנרגיה זו מגיע ממקורות דלק שאינם מתחדשים. אנרגיה זו משמשת לחשמל (39%), תחבורה (28%), תעשייה (22%), ושימוש למגורים/מסחר (11%). מכיוון שלעולם יש אספקה מוגבלת של מקורות לא מתחדשים אלה, ארצות הברית (בין היתר) מרחיבה את השימוש במקורות אנרגיה מתחדשת כדי לענות על צורכי האנרגיה העתידיים. אחד המקורות האלה הוא מימן.
מימן נחשב למקור דלק מתחדש פוטנציאלי, משום שהוא עומד בקריטריונים חשובים רבים: הוא זמין בבית, יש בו מעט מזהמים מזיקים, הוא חסכוני באנרגיה וקל לרתום אותו. בעוד מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום, הוא נמצא רק בצורה מורכבת על פני כדור הארץ. לדוגמה, הוא משולב עם חמצן במים כמו H2O. כדי להיות שימושי כדלק, זה צריך להיות בצורה של גז H2. לכן, אם מימן ישמש כדלק עבור מכוניות או אלקטרוניקה אחרת, H 2 צריך להיעשותקודם. לכן, מימן נקרא לעתים קרובות "נושא אנרגיה" ולא "דלק".
נכון לעכשיו, הדרך הפופולרית ביותר לייצר גז H2 היא מדלקים מאובנים, באמצעות רפורמה בקיטור של פחמימנים או גז פחם. זה לא מפחית את התלות בדלקים מאובנים והוא עתיר אנרגיה. שיטה פחות משומשת היא על ידי אלקטרוליזה של מים. זה גם דורש מקור אנרגיה, אבל זה יכול להיות מקור מתחדש, כמו רוח או אנרגיה סולארית. באלקטרוליזה, מים (H2O) מפוצלים לחלקים המרכיבים אותו, גז מימן (H2)וגז חמצן (O 2 ), באמצעותתגובהאלקטרוכימית. גז המימן שנעשה באמצעות תהליך של אלקטרוליזה יכול לשמש לאחר מכן בתא דלק של קרום חילופי פרוטון (PEM), יצירת זרם חשמלי. זרם חשמלי זה יכול לשמש להפעלת מנועים, אורות והתקנים חשמליים אחרים.
Principles
חלק א' של הניסוי הזה כרוך ביצירת גז מימן באמצעות אלקטרוליזה. באלקטרוליזה, המים מפוצלים לחלקי הרכיבים שלה, מימן וחמצן, באמצעות התגובה האלקטרוכימית הבאה:
2 שעות2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
ישנן פי שניים מולקולות מימן המיוצרות ממולקולות חמצן. תגובה זו אינה מתרחשת באופן ספונטני וזקוקה למקור של אנרגיה חשמלית, למשל,פאנל סולארי. זוהי תגובה הפחתת חמצון. סוגים אלה של תגובות כימיות ניתן לפצל לשני חלקים: תגובת חמצון ואת תגובת ההפחתה. אלה נקראים חצאי תגובות. בחצי תגובת החמצון, אלקטרונים משתחררים. בהפחתת חצי תגובה, אלקטרונים מתקבלים.
חמצון: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
הפחתה: 4 H+(aq) + 4 e- → 2 H2(g)
ניתן לאסוף ולאחסן את גז המימן לשימוש במועד מאוחר יותר בתא דלק (PEM)(איור 1).
חלק II של ניסוי זה כרוך בשימוש בגז המימן המאוחסן כדלק לייצור חשמל להפעלת מאוורר. תא הדלק המשמש בניסוי זה הוא תא דלק PEM. תא הדלק PEM הוא כמו סוללה, בכך שהוא יוצר חשמל באמצעות תגובה כימית הכרוכה בהעברת אלקטרונים. בתא הדלק PEM, חצי התגובות הן כדלקמן:
חמצון: 2 H2(g) → 4 H+(aq) + 4 e-
הפחתה: 4 H+(aq) + O2(g) + 4 e- → 2 H2O(l)
התגובה הכוללת היא: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + אנרגיה
חצאי תגובות אלה מתרחשים באלקטרודות (מוליכים שדרכם עובר החשמל). בתא הדלק PEM, יש שתי אלקטרודות: אנודה וקתודה. חמצון מתרחשת אנודה. הפחתה מתרחשת בקתודה. אז, בתא הדלק PEM באנודה, גז מימן מחומצן, ואלקטרונים משתחררים למעגל. בקתודה, גז חמצן מופחת ומים נוצרים. בתא הדלק PEM, קרום חילופי פרוטונים מפריד בין שתי האלקטרודות. קרום זה מאפשר פרוטונים (H+) לזרום דרך, אבל מונע אלקטרונים מלהיכנס לממברנה. כך האלקטרונים נאלצים לזרום דרך המעגל החשמלי(איור 2).
איור 1: תרשים של אלקטרוליזר.
איור 2: תא דלק PEM.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. שימוש באלקטרוליזר לייצור גז מימן
- הגדירו את האלקטרולייזר(איור 3).
- הקימו את בלוני איסוף הגז, ודאו שמפלס המים המזוקק בגליל החיצוני הוא בסימן 0(איור 4).
- חברו את האלקטרולייזר לבלוני איסוף הגז(איור 5).
- חברו פאנל סולארי לאלקטרוליזר באמצעות חוטי סוודר וחשו לאור שמש ישיר(איור 6). הערה, אם מזג האוויר אינו משתף פעולה באותו יום, השתמש במנורה עם נורה כדי לדמות את השמש.
- גז H2 ו-O2 מתחיל להיכנס לבלוניים הפנימיים(איור 7). נטר את הנפח של כל גז המיוצר במרווחי זמן של 30 שניות, באמצעות קנה המידה המסומן בצילינדר החיצוני. זה לוקח בערך 10 דקות כדי למלא את הגליל הפנימי עם גז H2.
- כאשר הגליל הפנימי מלא לחלוטין בגז H2, בועות מסוימות צריכות לצאת מהגליל הפנימי, ובסופו של דבר להגיע לפני השטח. בשלב זה, לנתק את הפאנל הסולארי מן האלקטרולייזר ולסגור את cincher על צינור הגז H2, כך שאף אחד גז H2 בורח. שימו לב שיש פי שניים גז מימן המיוצר מגז חמצן, כפי שחזו במשוואה הכימית המאוזנת.
2. תא דלק
- הגדרת תא דלק(איור 8).
- נתק את צינורות הגז H2 מהאלקטרולייזר וחבר אותו לתא הדלק.
- חברו את תא הדלק למאוורר (או לנורת LED, אם מאוורר אינו זמין(איור 9))ושחררו את התיל בצינור הגז H2 (איור 10). המאוורר צריך להתחיל להסתובב. אם לא, לחץ על שסתום הטיהור על תא הדלק כדי לקבל את הגז זורם.
- המאוורר ממשיך להסתובב עד שכל גז H2 נצרך. זה אמור להימשך כ 5 דקות.
איור 3: תמונה של האלקטרולייזר.
איור 4: צילינדרים לאיסוף גז עם מפלס מים מזוקק השווה ל-0.
איור 5: תמונה של האלקטרו-ליזר המחובר לבלוני איסוף הגז.
איור 6: הפאנל הסולארי המחובר לאלקטרולייזר באמצעות חוטי סוודר.
איור 7: דוגמה לגז שנכנס לצילינדרים.
איור 8: תמונה של תא דלק.
איור 9: תא הדלק מחובר לנורית LED במקום למאוורר.
איור 10: האלקטרולייזר המחובר לתא הדלק, המחובר למאוורר.
תאי דלק הם מכשירים שהופכים אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, ומשמשים לעתים קרובות כמקור אנרגיה נקי ואלטרנטיבי.
למרות שבנזין הוא עדיין מקור הדלק העיקרי לכלי רכב בארה"ב, מקורות דלק חלופיים נחקרו בעשורים האחרונים כדי להפחית את התלות בדלקים פוסיליים, ולייצר מקורות כוח נקיים יותר.
תאי דלק מימן משתמשים במימן נקי כדלק, ומייצרים רק מים כפסולת. למרות שהם משווים לעתים קרובות לסוללות, תאי דלק דומים יותר למנועי רכב, שכן הם אינם יכולים לאחסן אנרגיה ודורשים מקור דלק קבוע כדי לייצר אנרגיה. כתוצאה מכך, כמות משמעותית של מימן נדרשת לפעולת תאי דלק מתמדת.
וידאו זה יציג אלקטרוליזה בקנה מידה מעבדה של מים כדי לייצר גז מימן, ואחריו הפעולה של תא דלק מימן בקנה מידה קטן.
מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. על פני כדור הארץ, הוא נמצא בעיקר בתרכובות עם אלמנטים אחרים. לכן, על מנת להשתמש מימן בסיסי כדלק, זה חייב להיות מעודן מתרכובות אחרות. רוב גז המימן מיוצר באמצעות תהליך רפורמה מתאן עתיר אנרגיה, המבודד מימן מגז מתאן. עם זאת, תהליך זה הוא עתיר אנרגיה מאוד, משתמש בדלקים פוסיליים, ותוצאות בכמויות משמעותיות של גזי פסולת. זה תורם לשינויי האקלים, וגם מרעיל תאי דלק ומפחית את יכולת הפעולה.
אלקטרוליזה של מים היא שיטה חלופית לייצור גז מימן נקי, כלומר מימן שאינו גזים מזהמים. באלקטרוליזה, מים מפוצלים למימן וגז חמצן, באמצעות זרם חשמלי. כדי לעשות זאת, מקור חשמל מחובר לשתי אלקטרודות, אשר עשויות מתכת אינרטית. לאחר מכן, האלקטרודות ממוקמות במים, וזרם חשמלי מוחל. עבור אלקטרוליזה בקנה מידה קטן, סוללה או פאנל סולארי קטן יכול לשמש כדי ליצור מספיק זרם כדי לפצל מים. עם זאת, ביישומים בקנה מידה גדול, מקורות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר נדרשים.
תגובת האלקטרוליזה היא תגובה של הפחתת חמצון, או חמצון מחדש. ישנן פי שניים מולקולות מימן המיוצרות ממולקולות חמצן, על פי התגובה הכימית המאוזנת. ניתן לאסוף ולאחסן את גז המימן מתגובה אלקטרוכימית זו לשימוש כדלק בתא דלק. קרום חילופי פרוטונים, או PEM, תא דלק הופך אנרגיה כימית, או גז מימן, לאנרגיה חשמלית. כמו עם אלקטרוליזה, תא הדלק PEM משתמש בתגובה אדומה. גז מימן מועבר לאנודה של הרכבת תאי הדלק, שם הוא מחומצן ליצירת פרוטונים ואלקטרונים.
הפרוטונים הטעונים לחיוב נודדים על פני קרום חילופי הפרוטונים, לקתודה. עם זאת, האלקטרונים הטעונים שלילית אינם מסוגלים לחלחל לממברנה. האלקטרונים נעים דרך מעגל חיצוני, ומספקים זרם חשמלי. גז חמצן מועבר לקתודה של הרכבת תא הדלק, שם מתרחשת תגובת ההפחתה. שם, החמצן מגיב עם הפרוטונים והאלקטרונים שנוצרו באנודה, כדי ליצור מים. לאחר מכן המים מוסרים מתא הדלק כפסולת.
כעת, לאחר שהוסברו יסודות פעולת תאי הדלק, בואו נסתכל על התהליך הזה במעבדה.
כדי להתחיל בהליך, הגדירו את האלקטרולייזר ואת שני בלוני איסוף הגז. מלאו את המיכלים החיצוניים במים מזוקקים עד לסימן האפס. מניחים את בלוני איסוף הגז במיכלים החיצוניים.
לאחר מכן, חברו את האלקטרולייזר לבלוני איסוף הגז באמצעות צינורות. חבר פאנל סולארי לאלקטרולייזר באמצעות חוטי מגשר. מניחים את הפאנל הסולארי באור שמש ישיר על מנת להפעיל את הייצור של גז מימן. אם אין מספיק אור טבעי, לדמות אור שמש באמצעות מנורה.
גז מימן וחמצן יתחילו להיכנס לבלוני איסוף הגז הפנימיים. נטר את הנפח של כל גז המיוצר במרווחי זמן של 30 שניות, באמצעות קנה המידה המסומן בצילינדר החיצוני.
כאשר הגליל הפנימי מלא לחלוטין בגז מימן, בועות יצאו מהגליל הפנימי, ובסופו של דבר יגיעו לפני השטח. בשלב זה, לנתק את הפאנל הסולארי מן האלקטרולייזר ולסגור את סינצ'ר על צינור גז המימן, כך שאף אחד מגז המימן בורח. שימו לב שיש כמות כפולה של גז מימן המיוצר מגז חמצן, כפי שחזו במשוואה הכימית המאוזנת.
כדי להתחיל בפעולת תא הדלק, הגדר את תא הדלק על הספסל העליון. נתק את צינורות גז המימן מהאלקטרולייזר וחבר אותו לתא הדלק. החמצן הנדרש נאסף מהאוויר.
חבר את תא הדלק למאוורר או לנורת LED כדי לדמיין ייצור חשמל. שחרר את התסיסה בצינור גז המימן כדי לאפשר זרימת גז לתא הדלק. אם המאוורר לא מתחיל להסתובב, לחץ על שסתום הטיהור על תא הדלק כדי לעודד זרימת גז.
המאוורר ימשיך להסתובב עד שכל גז המימן נצרך.
ישנם סוגים רבים ושונים של תאי דלק המפותחים כפתרונות אנרגיה נקייה. כאן אנו מציגים שלוש טכנולוגיות מתפתחות.
תאי דלק תחמוצת מוצקה, או SOFC של, הם סוג אחר של תא דלק, אשר פועלים באופן דומה לתא דלק PEM, למעט הממברנה החדורה מוחלפת תחמוצת מוצקה. כמו עם תאי דלק PEM, יכולת הפעולה של SOFC יורדת עם חשיפה לגזים מזהמים המכילים גופרית ופחמן. בדוגמה זו, אלקטרודות SOFC היו מפוברקות, ולאחר מכן נחשפו לסביבות הפעלה טיפוסיות בטמפרטורה גבוהה בנוכחות גופרית ודלק מזוהם פחמן.
הרעלת פני השטח של אלקטרודה נחקרה באמצעות אלקטרוכימיה וספקטרוסקופיה של רחמן. התוצאות הראו כי הזרם הצטמצם עם הרעלת גופרית, אבל התאוששות זו הייתה אפשרית. מחקרי מיקרוסקופיה של כוח אטומי הדגישו את המורפולוגיה של מרבצי הפחמן, מה שעלול להוביל להתפתחות נוספת כדי למנוע הרעלה זו.
תא דלק מיקרוביאלי מפיק זרם חשמלי מחיידקים המצויים בטבע. בדוגמה זו, חיידקים שנרכשו ממתקני טיהור שפכים גדלו, ושימשו לתרבית ביופילמים. התא האלקטרו-כימי של שלושה אלקטרודה הוקם, כדי לתרבת חיידקים על פני השטח של אלקטרודה. הביופילם גדל אלקטרוכימי במספר מחזורי צמיחה.
הביופילם שנוצר נבדק לאחר מכן להעברת אלקטרונים חוץ-תאית אלקטרוכימית. התוצאות האלקטרוכימיות שימשו אז להבנת העברת אלקטרונים ויישום פוטנציאלי של הביופילם לתאי דלק מיקרוביאליים.
אלקטרוליזה דורשת אנרגיה כדי לשבור מים למימן וחמצן. תהליך זה הוא אנרגיה אינטנסיבית בקנה מידה גדול, אבל ניתן להפעיל בקנה מידה קטן באמצעות תא סולארי.
מקור אנרגיה חלופי לאלקטרוליזה הוא אנרגיית רוח. במעבדה, אלקטרוליזה יכולה להיות מופעלת עם טורבינת רוח בקנה מידה ספסל. בהדגמה זו, טורבינת הרוח הופעלה באמצעות רוח מדומה שנוצרה על ידי מאוורר שולחן.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לתא הדלק של פי.אם.אם. עכשיו אתה צריך להבין את הפעולה הבסיסית של תא דלק PEM ויצירת גז מימן באמצעות אלקטרוליזה. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
במהלך הליך האלקטרוליזה, מימן וגז חמצן נוצרים ברגע שהפאנל הסולארי מחובר ונחשף לאור השמש. זה לוקח בערך 10 דקות כדי ליצור מספיק גז H2 כדי למלא את הגליל הפנימי(טבלה 1). שים לב שיש פי שניים H2 שנוצר מ O2, כפי שניתן לראות במשוואה מאוזנת:
2 שעות2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
לאחר שנוצר גז H2 והצינורות מחוברים לתא הדלק, תא הדלק מייצר חשמל וגורם למאוורר להסתובב. זה נמשך כ -10 דקות על צילינדר מלא של גז H2.
| זמן (ים) | מימן שנוצר (mL) | חמצן שנוצר (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 |
טבלה 1: הזמן הנדרש ליצירת כמויות מימן וחמצן שונות
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
מימן הוא דלק גמיש. זה יכול להיות מיוצר באתר בכמויות קטנות לשימוש מקומי או בכמויות גדולות במתקן מרכזי. לאחר מכן ניתן להשתמש במימן לייצור חשמל עם מים בלבד כיוצר לוואי (בתנאי שמקור אנרגיה מתחדש, כמו טורבינת רוח, שימש לייצור גז המימן). לדוגמה, בבולדר, קולורדו, פרויקט Wind2H2 כולל טורבינות רוח ופאנלים סולאריים המחוברים לאלקטרולייזרים המייצרים גז מימן ממים ולאחר מכן מאחסנים אותו לשימוש בתחנת תדלוק המימן שלהם.
תהליך זה יכול לשמש גם כדי לגרום למכוניות לפעול על גז מימן (H2) במקום דלקים מאובנים. אם תא דלק PEM מותקן במכונית, ניתן להשתמש בחשמל כדי להפעיל את המנוע. הפליטה היחידה תהיה מים (H2O). מנקודת מבט של זיהום אוויר, זה יתרון. ישנם מכוניות תא דלק רבות שפותחו על ידי יצרני רכב גדולים. בשל כמות השטח הנדרשת כיום לאחסון מיכלי המימן הדחוסים על רכב, תאי דלק מימן נראים בעיקר באוטובוסים. ניתן למצוא אוטובוסים של תאי דלק במספר מדינות ברחבי העולם. ישנן כמה בעיות טכנולוגיות שיש לטפל בהן לפני שמכוניות תא דלק הן חלופה מעשית למכוניות מנועי בעירה פנימית, כולל אספקת תשתיות נוספות, הפחתת עלויות ושימוש מוגבר במקורות אנרגיה מתחדשת בעת ייצור גז H2.
בנוסף, ניתן להשתמש בתאי דלק מימן במקום סוללות לדברים כמו מצלמות וידאו ורדיו. דוגמה לכך היא התקן UPP, שהוא ערכת כוח ניידת המבוססת על טכנולוגיית תאי דלק מימן שניתן להשתמש בה כדי לטעון התקנים תואמי USB.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
