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Celle a combustibile a membrana a scambio protonico
 
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Celle a combustibile a membrana a scambio protonico

Overview

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

Gli Stati Uniti consumano una grande quantità di energia – il tasso attuale è di circa 97,5 quadrilioni di BTU all'anno. La stragrande maggioranza (90%) di questa energia proviene da fonti di combustibile non rinnovabili. Questa energia viene utilizzata per l'elettricità (39%), i trasporti (28%), l'industria (22%) e l'uso residenziale / commerciale (11%). Poiché il mondo ha una fornitura limitata di queste fonti non rinnovabili, gli Stati Uniti (tra gli altri) stanno espandendo l'uso di fonti di energia rinnovabile per soddisfare le future esigenze energetiche. Una di queste fonti è l'idrogeno.

L'idrogeno è considerato una potenziale fonte di combustibile rinnovabile, perché soddisfa molti criteri importanti: è disponibile a livello nazionale, ha pochi inquinanti nocivi, è efficiente dal punto di vista energetico ed è facile da sfruttare. Mentre l'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo, si trova solo in forma composta sulla Terra. Ad esempio, è combinato con l'ossigeno in acqua come H2O. Per essere utile come combustibile, deve essere sotto forma di gas H2. Pertanto, se l'idrogeno deve essere utilizzato come carburante per auto o altri dispositivi elettronici, H2 deve essere prodotto prima. Pertanto, l'idrogeno è spesso chiamato un "vettore energetico" piuttosto che un "carburante".

Attualmente, il modo più popolare per produrre gas H2 è da combustibili fossili, attraverso il reforming a vapore di idrocarburi o la gassificazione del carbone. Ciò non riduce la dipendenza dai combustibili fossili ed è ad alta intensità energetica. Un metodo meno utilizzato è l'elettrolisi dell'acqua. Ciò richiede anche una fonte di energia, ma può essere una fonte rinnovabile, come l'energia eolica o solare. Nell'elettrolisi, l'acqua (H2O) viene divisa nelle sue parti componenti, idrogeno gassoso (H2) e ossigeno gassoso (O2), attraverso una reazione elettrochimica. L'idrogeno gassoso prodotto attraverso il processo di elettrolisi può quindi essere utilizzato in una cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM), generando una corrente elettrica. Questa corrente elettrica può essere utilizzata per alimentare motori, luci e altri dispositivi elettrici.

Principles

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La parte I di questo esperimento prevede la generazione di idrogeno gassoso attraverso l'elettrolisi. Nell'elettrolisi, l'acqua viene divisa nelle sue parti componenti, idrogeno e ossigeno, attraverso la seguente reazione elettrochimica:

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

Ci sono il doppio delle molecole di idrogeno prodotte rispetto alle molecole di ossigeno. Questa reazione non avviene spontaneamente e necessita di una fonte di energia elettrica, ad esempioun pannello solare. Questa è una reazione di ossido-riduzione. Questi tipi di reazioni chimiche possono essere suddivisi in due parti: la reazione di ossidazione e la reazione di riduzione. Queste sono chiamate mezze reazioni. Nella semireazione di ossidazione, gli elettroni vengono rilasciati. Nella semireazione di riduzione, gli elettroni sono accettati.

Ossidazione: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
Riduzione: 4 H+(aq) + 4 e- → 2 H2(g)

L'idrogeno gassoso può essere raccolto e immagazzinato per l'uso in un secondo momento in una cella a combustibile (PEM) (Figura 1).

La parte II di questo esperimento prevede l'utilizzo dell'idrogeno gassoso immagazzinato come combustibile per produrre elettricità per alimentare un ventilatore. La cella a combustibile utilizzata in questo esperimento è una cella a combustibile PEM. La cella a combustibile PEM è come una batteria, in quanto crea elettricità attraverso una reazione chimica che comporta il trasferimento di elettroni. Nella cella a combustibile PEM, le mezze reazioni sono le seguenti:

Ossidazione: 2 H2(g) → 4 H+(aq) + 4 e-
Riduzione: 4 H+(aq) + O2(g) + 4 e- → 2 H2O(l)

La reazione complessiva è: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + energia

Queste semireazioni si verificano agli elettrodi (conduttori attraverso i quali passa l'elettricità). Nella cella a combustibile PEM, ci sono due elettrodi: un anodo e un catodo. L'ossidazione si verifica all'anodo. La riduzione si verifica al catodo. Quindi, nella cella a combustibile PEM all'anodo, l'idrogeno gassoso viene ossidato e gli elettroni vengono rilasciati nel circuito. Al catodo, il gas ossigeno viene ridotto e si forma acqua. Nella cella a combustibile PEM, una membrana a scambio protonico separa i due elettrodi. Questa membrana consente ai protoni (H+) di fluire attraverso, ma impedisce agli elettroni di entrare nella membrana. Così gli elettroni sono costretti a fluire attraverso il circuito elettrico (Figura 2).

Figure 1
Figura 1: Diagramma di un elettrolizzatore.

Figure 2
Figura 2: Cella a combustibile PEM.

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Procedure

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1. Utilizzo dell'elettrolizzatore per produrre idrogeno gassoso

  1. Impostare l'elettrolizzatore (Figura 3).
  2. Impostare le bombole di raccolta del gas, assicurandosi che il livello dell'acqua distillata nella bombola esterna sia al segno 0 (Figura 4).
  3. Collegare l'elettrolizzatore alle bombole di raccolta del gas (Figura 5).
  4. Collegare un pannello solare all'elettrolizzatore utilizzando fili jumper ed esporre alla luce solare diretta (Figura 6). Nota, se il tempo non sta collaborando quel giorno, usa una lampada con una lampadina per simulare il sole.
  5. Il gas H2 e O2 inizia ad entrare nelle bombole interne (Figura 7). Monitorare il volume di ogni gas prodotto a intervalli di 30 secondi, utilizzando la scala contrassegnata sul cilindro esterno. Ci vogliono circa 10 minuti per riempire la bombola interna con gas H2.
  6. Quando il cilindro interno è completamente pieno di gas H2, alcune bolle dovrebbero emergere dal cilindro interno, raggiungendo infine la superficie. A questo punto, scollegare il pannello solare dall'elettrolizzatore e chiudere il cincher sul tubo del gas H2, in modo che nessuno dei gas H2 fuoriesca. Si noti che c'è il doppio dell'idrogeno gassoso prodotto rispetto al gas ossigeno, come previsto nell'equazione chimica bilanciata.

2. Cella a combustibile

  1. Configurare una cella a combustibile (Figura 8).
  2. Scollegare il tubo del gas H2 dall'elettrolizzatore e collegarlo alla cella a combustibile.
  3. Collegare la cella a combustibile a una ventola (o a una luce a LED, se non è disponibile una ventola (Figura 9)) e rilasciare il cinch sul tubo del gas H2 (Figura 10). La ventola dovrebbe iniziare a girare. In caso contrario, premere la valvola di spurgo sulla cella a combustibile per far fluire il gas.
  4. La ventola continua a girare fino a quando tutto il gas H2 non viene consumato. Questo dovrebbe durare circa 5 minuti.

Figure 3
Figura 3: Un'immagine dell'elettrolizzatore.

Figure 4
Figura 4: Bombole di raccolta del gas con livelli di acqua distillata pari a 0.

Figure 5
Figura 5: Immagine dell'elettrolizzatore collegato alle bombole di raccolta del gas.

Figure 6
Figura 6: Il pannello solare collegato all'elettrolizzatore con fili jumper.

Figure 7
Figura 7: Un esempio del gas che entra nelle bombole.

Figure 8
Figura 8: Immagine di una cella a combustibile.

Figure 9
Figura 9: La cella a combustibile collegata a una luce a LED anziché a una ventola.

Figure 10
Figura 10: L'elettrolizzatore collegato alla cella a combustibile, che è collegata alla ventola.

Le celle a combustibile sono dispositivi che trasformano l'energia chimica in energia elettrica e sono spesso utilizzate come fonte di energia pulita e alternativa.

Sebbene la benzina sia ancora la fonte primaria di carburante per i veicoli negli Stati Uniti, negli ultimi decenni sono state esplorate fonti di carburante alternative al fine di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e generare fonti di energia più pulite.

Le celle a combustibile a idrogeno utilizzano idrogeno pulito come combustibile e producono solo acqua come rifiuto. Sebbene siano spesso paragonate alle batterie, le celle a combustibile sono più simili ai motori delle automobili, in quanto non possono immagazzinare energia e richiedono una fonte costante di carburante per produrre energia. Di conseguenza, è necessaria una quantità significativa di idrogeno per il funzionamento costante delle celle a combustibile.

Questo video introdurrà l'elettrolisi dell'acqua su scala di laboratorio per produrre idrogeno gassoso, seguita dal funzionamento di una cella a combustibile a idrogeno su piccola scala.

L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo. Sulla Terra, si trova principalmente in composti con altri elementi. Pertanto, al fine di utilizzare l'idrogeno elementare come combustibile, deve essere raffinato da altri composti. La maggior parte dell'idrogeno gassoso viene prodotto attraverso il processo di reforming del metano ad alta intensità energetica, che isola l'idrogeno dal gas metano. Tuttavia, questo processo è estremamente energivoro, utilizza combustibili fossili e si traduce in quantità significative di gas di scarico. Ciò contribuisce al cambiamento climatico e avvelena anche le celle a combustibile e diminuisce l'operabilità.

L'elettrolisi dell'acqua è un metodo alternativo per produrre idrogeno gassoso pulito, ovvero idrogeno privo di gas contaminanti. Nell'elettrolisi, l'acqua viene divisa in idrogeno e ossigeno gassoso, utilizzando una corrente elettrica. Per fare questo, una fonte di energia elettrica è collegata a due elettrodi, che sono fatti di un metallo inerte. Gli elettrodi vengono quindi inseriti nell'acqua e viene applicata la corrente elettrica. Per l'elettrolisi su piccola scala, è possibile utilizzare una batteria o un piccolo pannello solare per generare corrente sufficiente per dividere l'acqua. Tuttavia, nelle applicazioni su larga scala, sono necessarie fonti a densità di energia più elevata.

La reazione di elettrolisi è una reazione di ossido-riduzione, o redox. Ci sono il doppio delle molecole di idrogeno prodotte rispetto alle molecole di ossigeno, secondo la reazione chimica bilanciata. L'idrogeno gassoso generato da questa reazione elettrochimica può essere raccolto e immagazzinato per l'uso come combustibile in una cella a combustibile. Una membrana a scambio protonico, o PEM, cella a combustibile trasforma l'energia chimica, o idrogeno gassoso, in energia elettrica. Come per l'elettrolisi, la cella a combustibile PEM impiega una reazione redox. L'idrogeno gassoso viene consegnato all'anodo dell'assemblaggio della cella a combustibile, dove viene ossidato per formare protoni ed elettroni.

I protoni caricati positivamente migrano attraverso la membrana di scambio protonico, verso il catodo. Tuttavia, gli elettroni caricati negativamente non sono in grado di permeare la membrana. Gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno, fornendo corrente elettrica. L'ossigeno gassoso viene consegnato al catodo del gruppo della cella a combustibile, dove si verifica la reazione di riduzione. Lì, l'ossigeno reagisce con i protoni e gli elettroni che sono stati generati all'anodo, per formare acqua. L'acqua viene quindi rimossa dalla cella a combustibile come rifiuto.

Ora che le basi del funzionamento delle celle a combustibile sono state spiegate, diamo un'occhiata a questo processo in laboratorio.

Per iniziare la procedura, impostare l'elettrolizzatore e le due bombole di raccolta del gas. Riempire i contenitori esterni con acqua distillata fino al segno zero. Posizionare le bombole di raccolta del gas nei contenitori esterni.

Quindi, collegare l'elettrolizzatore alle bombole di raccolta del gas utilizzando tubi. Collegare un pannello solare all'elettrolizzatore utilizzando i fili del ponticello. Posizionare il pannello solare alla luce diretta del sole per alimentare la produzione di idrogeno gassoso. Se non c'è abbastanza luce naturale, simula la luce solare usando una lampada.

L'idrogeno e l'ossigeno gassoso inizieranno ad entrare nelle bombole interne di raccolta del gas. Monitorare il volume di ogni gas prodotto a intervalli di 30 secondi, utilizzando la scala contrassegnata sul cilindro esterno.

Quando il cilindro interno è completamente pieno di idrogeno gassoso, le bolle emergeranno dal cilindro interno, raggiungendo infine la superficie. A questo punto, scollegare il pannello solare dall'elettrolizzatore e chiudere il cincher sul tubo dell'idrogeno gassoso, in modo che nessuno dei gas idrogeno fuoriesca. Si noti che c'è il doppio dell'idrogeno gassoso prodotto rispetto all'ossigeno gassoso, come previsto nell'equazione chimica bilanciata.

Per iniziare il funzionamento della cella a combustibile, impostare la cella a combustibile sul piano di lavoro. Scollegare il tubo del gas idrogeno dall'elettrolizzatore e collegarlo alla cella a combustibile. L'ossigeno richiesto viene raccolto dall'aria.

Collegare la cella a combustibile a una ventola o a una luce LED per visualizzare la generazione di energia. Rilasciare il cinch sul tubo dell'idrogeno gassoso per consentire il flusso di gas alla cella a combustibile. Se la ventola non inizia a girare, premere la valvola di spurgo sulla cella a combustibile per incoraggiare il flusso di gas.

La ventola continuerà a girare fino a quando tutto l'idrogeno gassoso non verrà consumato.

Esistono molti tipi diversi di celle a combustibile che vengono sviluppate come soluzioni di energia pulita. Qui presentiamo tre tecnologie emergenti.

Le celle a combustibile a ossido solido, o SOFC, sono un altro tipo di cella a combustibile, che funzionano in modo simile a una cella a combustibile PEM, tranne che la membrana permeabile viene sostituita con un ossido solido. Come per le celle a combustibile PEM, l'operabilità del SOFC diminuisce in caso di esposizione a gas contaminanti contenenti zolfo e carbonio. In questo esempio, gli elettrodi SOFC sono stati fabbricati e quindi esposti a tipici ambienti operativi ad alta temperatura in presenza di zolfo e carburante contaminato da carbonio.

L'avvelenamento della superficie degli elettrodi è stato studiato utilizzando l'elettrochimica e la spettroscopia Raman. I risultati hanno mostrato che la corrente è diminuita dopo l'avvelenamento da zolfo, ma che il recupero era possibile. Gli studi di microscopia a forza atomica hanno chiarito la morfologia dei depositi di carbonio, che possono portare a un ulteriore sviluppo per prevenire questo avvelenamento.

Una cella a combustibile microbica deriva corrente elettrica da batteri presenti in natura. In questo esempio, i batteri acquisiti dagli impianti di trattamento delle acque reflue sono stati coltivati e utilizzati per la coltura di biofilm. È stata allestita una cella elettrochimica a tre elettrodi, al fine di coltura di batteri sulla superficie di un elettrodo. Il biofilm è stato coltivato elettrochimicamente in diversi cicli di crescita.

Il biofilm risultante è stato quindi testato per il trasferimento elettrochimico di elettroni extracellulari. I risultati elettrochimici sono stati quindi utilizzati per comprendere il trasferimento di elettroni e la potenziale applicazione del biofilm alle celle a combustibile microbiche.

L'elettrolisi richiede energia per rompere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Questo processo è ad alta intensità energetica su larga scala, ma può essere utilizzato su piccola scala utilizzando una cella solare.

Una fonte di energia alternativa per l'elettrolisi è l'energia eolica. In laboratorio, l'elettrolisi può essere alimentata con una turbina eolica da banco. In questa dimostrazione, la turbina eolica è stata alimentata utilizzando il vento simulato generato da un ventilatore da tavolo.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla cella a combustibile PEM. Ora dovresti capire il funzionamento di base di una cella a combustibile PEM e la generazione di idrogeno gassoso tramite elettrolisi. Grazie per l'attenzione!

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Results

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Durante la procedura di elettrolisi, l'idrogeno e l'ossigeno gassoso vengono generati una volta che il pannello solare è collegato ed esposto alla luce solare. Ci vogliono circa 10 minuti per generare abbastanza gas H2 per riempire la bombola interna (Tabella 1). Si noti che c'è il doppio di H2 generato rispetto a O2, come si vede nell'equazione bilanciata:

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

Una volta generato il gas H2 e collegato il tubo alla cella a combustibile, la cella a combustibile genera elettricità e fa girare la ventola. Questo dura circa 10 minuti su una bombola piena di gas H2.

Tempo (i) Idrogeno generato (mL) Ossigeno generato (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

Tabella 1: Tempo necessario per generare diverse quantità di idrogeno e ossigeno

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Applications and Summary

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L'idrogeno è un combustibile flessibile. Può essere prodotto in loco in piccole quantità per uso locale o in grandi quantità in una struttura centralizzata. L'idrogeno può quindi essere utilizzato per produrre elettricità con solo acqua come sottoprodotto (a condizione che una fonte di energia rinnovabile, come una turbina eolica, sia stata utilizzata per generare l'idrogeno gassoso). Ad esempio, a Boulder, in Colorado, il progetto Wind2H2 ha turbine eoliche e pannelli solari collegati a elettrolizzatori che producono idrogeno gassoso dall'acqua e poi lo immagazzinano per essere utilizzato nella loro stazione di rifornimento di idrogeno.

Questo processo può anche essere utilizzato per far funzionare le auto con idrogeno gassoso (H2)anziché con combustibili fossili. Se una cella a combustibile PEM è installata in un'auto, l'elettricità può essere utilizzata per far funzionare il motore. L'unico scarico sarebbe l'acqua (H2O). Dal punto di vista dell'inquinamento atmosferico, questo è vantaggioso. Ci sono molti prototipi di auto a celle a combustibile sviluppati dalle principali case automobilistiche. A causa della quantità di spazio attualmente necessaria per immagazzinare i serbatoi di idrogeno compresso su un veicolo, le celle a combustibile a idrogeno sono viste principalmente sugli autobus. Gli autobus a celle a combustibile si trovano in diversi paesi in tutto il mondo. Ci sono alcune questioni tecnologiche che devono essere affrontate prima che le auto a celle a combustibile siano una valida alternativa alle auto con motore a combustione interna, tra cui la fornitura di più infrastrutture, la riduzione dei costi e un maggiore uso di fonti di energia rinnovabile quando si produce gas H2.

Inoltre, le celle a combustibile a idrogeno possono essere utilizzate al posto delle batterie per cose come videocamere e radio. Un esempio è il dispositivo UPP, che è un alimentatore portatile basato sulla tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno che può essere utilizzato per caricare dispositivi compatibili usb.

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