Overview
Source : Laboratoires de Margaret Workman et Kimberly Frye - Depaul University
Les Etats-Unis consomme une grande quantité d’énergie – le taux actuel est environ 97,5 Billiards BTU chaque année. La grande majorité (90 %) de cette énergie provient de sources de combustibles non renouvelables. Cette énergie est utilisée pour l’électricité (39 %), transports (28 %), industrie (22 %) et résidentiel/commercial utilisent (11 %). Comme le monde a une quantité limitée de ces sources non renouvelables, aux États-Unis (entre autres) a élargi l’utilisation de sources d’énergie renouvelables pour répondre aux besoins énergétiques futurs. Une de ces sources est l’hydrogène.
L’hydrogène est considéré comme une source potentielle de carburant renouvelable, car il répond à plusieurs critères importants : il est disponible sur le marché intérieur, il a quelques polluants nocifs, il est économe en énergie et il est facile à exploiter. Alors que l’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers, on le trouve uniquement sous forme de composé sur la terre. Par exemple, il est combiné avec l’oxygène dans l’eau comme H2O. Pour être utile comme combustible, il doit être sous forme de gaz de2 H. Donc, si l’hydrogène doit être utilisé comme carburant pour les voitures ou autres appareils électroniques, H2 doit être effectuée tout d’abord. Thusly, l’hydrogène est souvent appelé « vecteur énergétique » plutôt que d’un « carburant ».
Actuellement, le moyen le plus populaire pour faire des gaz de2 H provient de combustibles fossiles, par reformage d’hydrocarbures ou de gazéification du charbon. Cela ne réduit pas la dépendance aux combustibles fossiles et à forte intensité énergétique. Une méthode moins utilisés est par électrolyse de l’eau. Cela nécessite également une source d’énergie, mais il peut être une source renouvelable, comme l’éolienne ou solaire. Dans l’électrolyse, l’eau (H2O) est divisé en ses éléments constitutifs, gaz d’hydrogène (H2) et oxygène (O2), grâce à une réaction électrochimique. Le gaz hydrogène réalisé à travers le processus d’électrolyse peut ensuite servir dans une pile à combustible Proton Exchange Membrane (PEM), générant un courant électrique. Ce courant électrique peut être utilisé pour alimenter les moteurs, lumières et autres appareils électriques.
Principles
Partie I de cette expérience implique la génération d’hydrogène par électrolyse. Dans l’électrolyse, l’eau est divisé en ses éléments constitutifs, d’hydrogène et d’oxygène, par l’intermédiaire de la réaction électrochimique suivante :
2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)
Il y a deux fois plus de molécules d’hydrogène produites comme les molécules d’oxygène. Cette réaction ne se produit pas spontanément et a besoin d’une source d’énergie électrique, par exemple, un panneau solaire. Il s’agit d’une réaction d’oxydo-réduction. Ces types de réactions chimiques peuvent être divisés en deux parties : la réaction d’oxydation et de la réaction de réduction. On appelle ces moitié-réactions. Dans la moitié-réaction d’oxydation, les électrons sont libérés. Dans la réduction de moitié-réaction, les électrons sont acceptés.
Oxydation : 2 H2O(l) → O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e–
Réduction : 4 H+(aq) + 4 e– → 2 H2 (g)
Le gaz d’hydrogène peut être recueilli et stocké pour une utilisation à une date ultérieure dans une pile à combustible (PEM) (Figure 1).
Partie II de cette expérience consiste à utiliser le gaz hydrogène stockée comme combustible pour produire de l’électricité pour alimenter un ventilateur. La pile à combustible utilisée dans cette expérience est une pile à combustible PEM. La pile à combustible PEM est comme une batterie, qu’il crée de l’électricité par une réaction chimique qui implique le transfert d’électrons. Dans la pile à combustible PEM, les réactions de la moitié sont comme suit :
Oxydation : 2 H2 (g) → 4 H+(aq) + 4 e–
Réduction : 4 H+(aq) + O2 (g) + 4 e– → 2 H2O(l)
La réaction globale est : 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O(l) + énergie
Ces moitié-réactions aux électrodes (conducteurs dans lequel passe d’électricité). Dans la pile à combustible PEM, il y a deux électrodes : une anode et une cathode. Oxydation se produit à l’anode. La réduction se produit à la cathode. Ainsi, dans la pile à combustible PEM à l’anode, gaz d’hydrogène est oxydé et électrons sont libérés dans le circuit. À la cathode, l’oxygène gazeux est réduite et l’eau est formée. Dans la pile à combustible PEM, une membrane échangeuse de protons sépare les deux électrodes. Cette membrane permet de protons (H+) puisse couler à travers, mais empêche les électrons de pénétrer dans la membrane. Ainsi, les électrons sont contraints de circuler à travers le circuit électrique (Figure 2).
Figure 1 : Schéma d’un électrolyseur.
Figure 2 : Pile à combustible PEM.
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Procedure
1. à l’aide de l’électrolyseur pour produire l’hydrogène gazeux
- Installation de l’électrolyseur (Figure 3).
- Mettre en place les bouteilles de gaz collection, en vous assurant le niveau de l’eau distillé dans le cylindre extérieur est à la marque 0 (Figure 4).
- Connecter l’électrolyseur les collection aux bouteilles à gaz (Figure 5).
- Raccorder un panneau solaire à l’électrolyseur à l’aide de fils de raccordement et les exposer aux rayons du soleil (Figure 6). Noter que si les conditions météorologiques ne coopère pas ce jour-là, à l’aide d’une lampe avec une ampoule d’éclairage pour simuler le soleil.
- H2 et O2 gaz commence à entrer dans les cylindres intérieurs (Figure 7). Surveiller le volume de chaque gaz produit à des intervalles de 30 s, à l’aide de l’échelle indiquée sur le cylindre extérieur. Il faut environ 10 minutes pour remplir le cylindre interne avec gaz2 H.
- Lorsque le cylindre intérieur est complètement rempli de gaz de2 H, quelques bulles devraient émerger du cylindre intérieur, finit par atteindre la surface. À ce stade, le panneau solaire de l’électrolyseur et fermer la serre sur le tube de gaz H2 , donc aucun des gaz H2 s’échappe. Avis il est deux fois plus d’hydrogène produite sous forme de gaz oxygène, comme l’avait prédit dans l’équation chimique équilibrée.
2. piles à combustible
- Installation d’une pile à combustible (Figure 8).
- Débrancher le tuyau de gaz de2 H de l’électrolyseur et connectez-le à la pile à combustible.
- Connectez la pile à combustible à un ventilateur (ou une lumière LED, si un fan n’est pas disponible (Figure 9)) et libérer le cinch sur le tube de gaz H2 (Figure 10). Le ventilateur devrait commencer à tourner. Si ce n’est pas le cas, appuyez sur la valve de purge sur la pile à combustible pour obtenir le gaz qui circule.
- Le ventilateur continue à tourner jusqu'à ce que tous le gaz de2 H est consommée. Cela devrait durer environ 5 min.
Figure 3 : Une image de l’électrolyseur.
Figure 4 : Bouteilles de collection de gaz avec des niveaux d’eau distillées égales à 0.
Figure 5 : Une photo de l’électrolyseur branché les collection aux bouteilles à gaz.
Figure 6 : Le panneau solaire connecté à l’électrolyseur avec les fils de raccordement.
Figure 7 : Exemple de gaz entrant dans les cylindres.
Figure 8 : Une photo d’une pile à combustible.
Figure 9 : La pile à combustible raccordé à une lumière de LED au lieu d’un ventilateur.
Figure 10 : L’électrolyseur branché avec la pile à combustible, qui est reliée avec le ventilateur.
Piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l’énergie chimique en énergie électrique et sont fréquemment utilisés comme une source d’énergie alternative propre.
Bien que l’essence est toujours la source primaire de carburant pour les véhicules aux États-Unis, des sources de carburant de remplacement ont été explorées au cours des dernières décennies afin de diminuer la dépendance aux combustibles fossiles et générer des sources propres du pouvoir.
Piles à combustible utilisent propre hydrogène comme carburant et produire uniquement de l’eau comme un déchet. Bien qu’ils sont souvent comparés à des batteries, piles à combustible sont plus proches de moteurs d’automobiles, car ils ne peuvent pas stocker l’énergie et nécessitent une source constante de combustible afin de produire de l’énergie. Par conséquent, une quantité importante d’hydrogène est nécessaire pour le fonctionnement de la pile à combustible constant.
Cette vidéo vous fera découvrir l’électrolyse de laboratoire de l’eau pour produire l’hydrogène gazeux, suivi par le fonctionnement d’une pile à combustible hydrogène à petite échelle.
L’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers. Sur terre, on le trouve principalement dans les composés avec d’autres éléments. Par conséquent, afin d’utiliser l’hydrogène élémentaire comme combustible, il doit être raffiné des autres composés. La plupart des gaz hydrogène sont produit par le méthane énergivores du reformage, qui isole l’hydrogène à partir de gaz méthane. Toutefois, ce processus est extrêmement énergivore, utilise des combustibles fossiles et se traduit par des quantités importantes de gaz résiduaires. Cela contribue au changement climatique et aussi empoisonne les piles à combustible et diminue l’opérabilité.
L’électrolyse de l’eau est une méthode alternative pour la production d’hydrogène propre gaz, sens de l’hydrogène qui est exempt de gaz contaminant. Dans l’électrolyse, l’eau est divisé en gaz hydrogène et oxygène, à l’aide d’un courant électrique. Pour ce faire, une source d’énergie électrique est reliée à deux électrodes, qui sont faites d’un métal inerte. Les électrodes sont ensuite placées dans l’eau et le courant électrique appliqué. Pour l’électrolyse à petite échelle, une pile ou un petit panneau solaire permet de produire assez de courant pour décomposer l’eau. Toutefois, dans les applications à grande échelle, sources de densité énergétique plus élevées sont nécessaires.
L’électrolyse est une réaction d’oxydo-réduction, ou redox. Il y a deux fois plus de molécules d’hydrogène produites comme les molécules d’oxygène, selon la réaction chimique équilibrée. Le gaz d’hydrogène généré par cette réaction électrochimique peut être recueilli et stocké pour une utilisation comme carburant dans une pile à combustible. Une membrane échangeuse de protons, ou PEM, pile à combustible transforme l’énergie chimique, et l’hydrogène gazeux, énergie électrique. Comme avec l’électrolyse, la pile à combustible PEM emploie une réaction rédox. Gaz d’hydrogène est livré à l’anode de la pile à combustible Assemblée, où il est oxydé pour former protons et électrons.
Les protons chargés positivement migrent à travers la membrane échangeuse de protons, à la cathode. Cependant, les électrons chargés négativement sont incapables de pénétrer la membrane. Les électrons voyagent à travers un circuit externe, fournissant le courant électrique. Oxygène-gaz est livré à la cathode de l’Assemblée de la pile à combustible, où la réaction de réduction se produit. Là, l’oxygène réagit avec les protons et les électrons qui ont été générés à l’anode, à l’eau de forme. L’eau est ensuite retiré de la pile à combustible comme un déchet.
Maintenant que les bases du fonctionnement de la pile à combustible ont été expliquées, nous allons étudier ce processus en laboratoire.
Pour commencer la procédure, installation de l’électrolyseur et les bouteilles de collection de deux gaz. Remplir les récipients extérieurs avec de l’eau distillée à la marque zéro. Placer les bouteilles de collection de gaz dans les récipients extérieurs.
Ensuite, connecter l’électrolyseur les collection aux bouteilles à gaz à l’aide de tubes. Raccorder un panneau solaire à l’électrolyseur à l’aide de fils de raccordement. Placer le panneau solaire au soleil afin d’alimenter la production d’hydrogène gazeux. S’il n’y a pas assez de lumière naturelle, simuler la lumière du soleil à l’aide d’une lampe.
Gaz d’hydrogène et d’oxygène commencera à entrer dans les bouteilles de collection de gaz interne. Surveiller le volume de chaque gaz produit à des intervalles de 30 s, à l’aide de l’échelle indiquée sur le cylindre extérieur.
Lorsque le cylindre intérieur est complètement rempli d’hydrogène gazeux, bulles émergera du cylindre intérieur, finit par atteindre la surface. À ce stade, le panneau solaire de l’électrolyseur et fermer la serre sur le tube de gaz hydrogène, donc aucun de l’hydrogène gazeux s’échappe. Remarque Il est deux fois plus d’hydrogène produite sous forme de gaz oxygène, comme l’avait prédit dans l’équation chimique équilibrée.
Pour commencer le fonctionnement de la pile à combustible, définir la pile à combustible sur la paillasse. Débrancher le tuyau de gaz d’hydrogène de l’électrolyseur et connectez-le à la pile à combustible. L’oxygène nécessaire est récolté dans l’air.
Connecter la pile à combustible à un ventilateur ou LED lumière afin de visualiser la production d’électricité. Libérer le cinch sur le tube de gaz hydrogène pour activer le flux de gaz à la pile à combustible. Si le ventilateur ne commence pas de rotation, appuyez sur la valve de purge sur la pile à combustible pour encourager les flux de gaz.
Le ventilateur continue à tourner jusqu'à ce que tout le gaz d’hydrogène est consommée.
Il y a beaucoup de différents types de piles à combustible qui sont développées comme des solutions énergétiques propres. Nous présentons ici trois technologies émergentes.
Piles à combustible à oxyde solide, ou SOFC, est un autre type de pile à combustible, qui fonctionnent de manière similaire à une pile à combustible PEM, sauf la membrane perméable est remplacée par un oxyde solide. Comme pour les piles à combustible PEM, exploitabilité de diminution de SOFC lors de l’exposition aux contaminants gaz contenant de soufre et de carbone. Dans cet exemple, SOFC électrodes ont été fabriqués et ensuite exposés à fonctionnement typique des environnements à haute température en présence de soufre et le carbone contaminés de carburant.
Empoisonnement surface de l’électrode a été étudiée à l’aide de l’électrochimie et la spectroscopie Raman. Les résultats ont montré que courant a été diminuée à l’empoisonnement de soufre, mais que la reprise était possible. Études de microscopie de force atomique élucidé la morphologie des dépôts de carbone, qui peut conduire à la poursuite du développement d’empêcher cet empoisonnement.
Une pile à combustible microbienne dérive courant électrique provenant de bactéries trouvées dans la nature. Dans cet exemple, les bactéries acquis d’épuration des eaux usées ont été cultivés et utilisés pour la culture des biofilms. Une cellule électrochimique de trois électrodes a été mises en place, dans l’ordre à des bactéries de culture sur la surface d’une électrode. Le biofilm a été cultivé par voie électrochimique en plusieurs cycles de croissance.
Le biofilm qui en résulte est ensuite testé pour transfert d’électron extracellulaire électrochimiquement. Les résultats électrochimiques ont été ensuite utilisés pour comprendre le transfert d’électron et l’application éventuelle du biofilm microbiens aux piles à combustible.
Électrolyse consomme d’énergie pour rompre l’eau en hydrogène et en oxygène. Ce processus est énergivore à grande échelle, mais il peut être exploité sur la petite échelle à l’aide d’une cellule solaire.
Source d’énergie alternative pour l’électrolyse est l’énergie éolienne. En laboratoire, électrolyse peut être alimenté par une éolienne de laboratoire. Dans cette démonstration, l’éolienne a été alimentée par vent simulé généré par un ventilateur de table.
Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la pile à combustible PEM. Vous devez maintenant comprendre le fonctionnement de base d’une pile à combustible PEM et la génération d’hydrogène par électrolyse. Merci de regarder !
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Results
Pendant le procédé d’électrolyse, gaz d’hydrogène et d’oxygène sont générés lorsque le panneau solaire est branché et exposé au soleil. Il faut environ 10 min pour générer assez gaz de2 H pour remplir le cylindre interne (tableau 1). Notez qu’il y a deux fois autant de H2 généré sous la forme O2, comme le montre l’équation équilibrée :
2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)
Une fois que le gaz de2 H est généré et le tube est relié à la pile à combustible, la pile à combustible produit de l’électricité et provoque le ventilateur tourner. Cela dure environ 10 min sur un cylindre plein de gaz de2 H.
| Heure (s) | Hydrogène généré (mL) | Oxygène généré (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 |
Tableau 1 : Temps nécessaire pour générer l’hydrogène différente et des quantités d’oxygène
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Applications and Summary
L’hydrogène est un carburant flexible. Il peut être produit sur place, en petites quantités pour une utilisation locale ou en grande quantité à une installation centralisée. L’hydrogène peut ensuite servir à produire de l’électricité avec uniquement de l’eau comme sous-produit (à condition qu’une source renouvelable d’énergie, comme une éolienne, a été utilisée pour générer l’hydrogène gazeux). Par exemple, à Boulder, Colorado, le projet Wind2H2 a des éoliennes et panneaux solaires connectés d’électrolyseurs qui produisent un gaz d’hydrogène de l’eau et la stocke ensuite à utiliser dans leur station de ravitaillement en hydrogène.
Ce processus peut aussi servir à rendre les voitures à courir sur le gaz d’hydrogène (H2) au lieu de combustibles fossiles. Si une pile à combustible PEM est installée dans une voiture, l’électricité peut être utilisée pour que le moteur fonctionne. Le gaz d’échappement seulement serait l’eau (H2O). Du point de vue pollution de l’air, c’est avantageux. Il y a de nombreux prototypes de voitures de pile à combustible développés par les grands constructeurs automobiles. En raison de la quantité d’espace actuellement requis pour stocker les réservoirs d’hydrogène comprimé sur un véhicule, piles à combustible hydrogène apparaissent principalement dans les bus. Autobus à pile à combustible se trouvent dans plusieurs pays du monde entier. Il y a quelques problèmes techniques qui doivent être abordées avant les voitures à pile à combustible sont une alternative viable aux voitures à moteur à combustion interne y compris en fournissant plus d’infrastructures, réduire les coûts et une utilisation accrue des sources d’énergie renouvelables lors de gaz de2 H.
En outre, piles à combustible peut être utilisés en lieu et place de batteries pour des choses comme les caméras vidéo et des radios. Un exemple est le dispositif de l’UPP, qui est un bloc d’alimentation portable basé sur la technologie de pile à combustible hydrogène qui peut être utilisée pour charger les périphériques compatibles USB.
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