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양성자 교환막 연료 전지

Overview

출처: 마가렛 노동자와 킴벌리 프라이의 실험실 - 데폴 대학

미국은 많은 양의 에너지를 소비합니다 - 현재 속도는 매년 약 97.5 quadrillion BtUs입니다. 대다수 (90%) 이 에너지의 재생 불가능한 연료 공급원에서 비롯됩니다. 이 에너지는 전기(39%), 운송(28%), 산업(22%), 주거/상업용 이용(11%)에 사용됩니다. 세계가 이러한 재생 불가능한 자원의 공급이 제한되어 있기 때문에 미국은 미래의 에너지 수요를 충족시키기 위해 재생 가능 에너지원의 사용을 확대하고 있습니다. 이러한 소스 중 하나는 수소입니다.

수소는 잠재적인 재생 연료원으로 간주됩니다, 그것은 많은 중요한 기준을 충족하기 때문에: 그것은 국내에서 사용할 수, 그것은 몇 가지 유해한 오염 물질을 가지고, 그것은 에너지 효율, 그리고 그것은 활용하기 쉽습니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이지만, 지구상의 복합 형태에서만 발견된다. 예를 들어, H2O로서 물에 산소와 결합된다. 연료로 유용하려면 H2 가스의 형태여야 합니다. 따라서 수소가 자동차 나 다른 전자 제품의 연료로 사용되려면 H2를 먼저 만들어야합니다. 따라서 수소는 종종 "연료"가 아닌 "에너지 캐리어"라고 합니다.

현재H2 가스를 만드는 가장 인기있는 방법은 탄화수소 또는 석탄 가스화의 증기 개혁을 통해 화석 연료에서 입니다. 이것은 화석 연료에 대한 의존도를 감소시키지 않으며 에너지 집약적입니다. 덜 사용되는 방법은 물의 전동 분해에 의한 것입니다. 이를 위해서는 에너지원이 필요하지만 풍력이나 태양광 발전과 같은 재생 가능한 원천이 될 수 있습니다. 전기 분해에서,물(H2O)은 전기화학반응을 통해 부품, 수소가스(H2) 및 산소가스(O2)로 분할된다. 전기 분해 과정을 통해 만들어진 수소 가스는 양성자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지에서 사용될 수 있어 전류를 생성합니다. 이 전류는 모터, 조명 및 기타 전기 장치에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

Principles

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이 실험의 1부는 전기 분해를 통한 수소 가스의 생성을 포함한다. 전기 분해에서 물은 다음과 같은 전기 화학 반응을 통해 구성 요소 부품, 수소 및 산소로 분할됩니다.

2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

산소 분자로 생성된 수소 분자의 두 배입니다. 이 반응은 자발적으로 일어나지 않으며 전기 에너지의 원천(예:태양전지 패널)이 필요합니다. 이것은 산화 감소 반응입니다. 이러한 유형의 화학 반응은 산화 반응과 환감 반응의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 이들은 반 반응에게 불립니다. 산화 반 반응에서 전자가 방출됩니다. 감소 반 반응에서 전자는 허용됩니다.

산화: 2 H2O(l) → O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 전자-
감소: 4 H+(aq) + 4 전자- → 2 H2 (g)

수소 가스는 나중에 (PEM) 연료 전지(도1)에서사용하기 위해 수집 및 저장될 수 있다.

이 실험의 파트 II는 저장된 수소 가스를 연료로 사용하여 팬에 전력을 공급하기 위해 전기를 생산하는 것을 포함합니다. 이 실험에 사용되는 연료 전지는 PEM 연료 전지입니다. PEM 연료 전지는 전자의 전송을 포함하는 화학 반응을 통해 전기를 생성한다는 점에서 배터리와 같습니다. PEM 연료 전지에서 절반 반응은 다음과 같습니다.

산화: 2 H2 (g) → 4 H+(aq) + 4 전자-
감소: 4 H+(aq) + O2 (g) + 4 전자- → 2 H2O(l)

전반적인 반응은 : 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O(l) + 에너지

이러한 반 반응은 전극 (전기가 통과하는 도체)에서 발생합니다. PEM 연료 전지에는 양극과 음극이라는 두 개의 전극이 있습니다. 산화는 양극에서 발생합니다. 감소는 음극에서 발생합니다. 따라서 양극의 PEM 연료 전지에서 수소 가스가 산화되고 전자가 회로로 방출됩니다. 음극에서 산소 가스가 감소하고 물이 형성됩니다. PEM 연료 전지에서 양성자 교환 멤브레인은 두 전극을 분리합니다. 이 멤브레인은 양성자 (H+)가흐를 수 있지만 전자가 멤브레인에 들어가는 것을 방지합니다. 따라서 전자는 전기 회로를 통해 흐르도록 강요된다(도 2).

Figure 1
그림 1: 전해질의 다이어그램입니다.

Figure 2
그림 2: 펨 연료 전지.

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Procedure

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1. 전해질기를 사용하여 수소 가스를 생산합니다.

  1. 전해질기 설정(그림 3).
  2. 가스 수집 실린더를 설정하여 외부 실린더의 증류수 수위가 0마크(도4)에있는지 확인합니다.
  3. 전해질기를 가스 수집 실린더에연결합니다(그림 5).
  4. 점퍼 와이어를 사용하여 전해질에 태양 전지판을 연결하고 직사광선에 노출시다(그림6). 날씨가 그날 협조하지 않는 경우 전구가 있는 램프를 사용하여 태양을 시뮬레이션합니다.
  5. H2 및 O2 가스가 내부 실린더(그림7)에진입하기 시작합니다. 외부 실린더에 표시된 스케일을 사용하여 30-s 간격으로 생성된 각 가스의 부피를 모니터링합니다. 내부 실린더를 H2 가스로 채우는 데 약 10분이 걸립니다.
  6. 내부 실린더가 H2 가스로 완전히 가득 차면 일부 기포가 내부 실린더에서 나와 결국 표면에 도달해야 합니다. 이 시점에서 전해질기에서 태양 전지판을 분리하고 H2 가스 튜브의 신처를 닫기 때문에 H2 가스가 빠져가지 않습니다. 균형 잡힌 화학 방정식에서 예측한 바와 같이 산소 가스보다 두 배 나 많은 수소 가스가 발생합니다.

2. 연료 전지

  1. 연료 전지를 설정(그림 8).
  2. 전해질기에서 H2 가스 튜브를 분리하여 연료 전지에 연결합니다.
  3. 연료 전지를 팬(또는 LED 라이트,팬을 사용할 수 없는경우(그림 9)에연결하고H2 가스튜브(그림 10)에서신치를 방출한다. 팬이 회전하기 시작해야 합니다. 그렇지 않은 경우 연료 전지의 퍼지 밸브를 눌러 가스가 흐르도록 합니다.
  4. 모든 H2 가스가 소모될 때까지 팬이 계속 회전합니다. 이것은 약 5 분 동안 지속되어야합니다.

Figure 3
그림 3: 전해질 사진.

Figure 4
그림 4: 증류수 수위가 0인 가스 수집 실린더.

Figure 5
그림 5: 가스 수집 실린더에 연결된 전해질 그림입니다.

Figure 6
그림 6: 점퍼 와이어가 있는 전해질에 연결된 태양전지 패널입니다.

Figure 7
그림 7: 실린더에 들어가는 가스의 예입니다.

Figure 8
그림 8: 연료 전지의 그림입니다.

Figure 9
그림 9: 팬 대신 LED 라이트에 연결된 연료 전지입니다.

Figure 10
그림 10: 팬과 연결된 연료 전지와 연결된 전해질입니다.

연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이며, 종종 깨끗하고 대체 에너지원으로 사용됩니다.

휘발유는 여전히 미국 차량의 주요 연료 원이지만, 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 더 깨끗한 전력원을 생성하기 위해 최근 수십 년 동안 대체 연료 원을 탐구해 왔습니다.

수소 연료 전지는 깨끗한 수소를 연료로 활용하고 물만 폐기물로 생산합니다. 배터리와 비교되지만 연료 전지는 에너지를 저장할 수 없으며 에너지를 생산하기 위해 일정한 연료 원이 필요하기 때문에 자동차 엔진과 더 유사합니다. 그 결과, 지속적인 연료 전지 작동을 위해서는 상당한 양의 수소가 필요합니다.

이 비디오는 수소 가스를 생산하는 물의 실험실 규모의 전기 분해를 소개하고, 그 다음에는 소규모 수소 연료 전지의 작동을 소개합니다.

수소는 우주에서 가장 풍부한 요소입니다. 지구상에서, 그것은 주로 다른 원소와 화합물에서 발견. 따라서 원소 수소를 연료로 사용하려면 다른 화합물로부터 정제되어야 합니다. 대부분의 수소 가스는 메탄 가스로부터 수소를 분리하는 에너지 집약적 메탄 개혁 과정을 통해 생산됩니다. 그러나 이 공정은 에너지 집약적이며 화석 연료를 활용하며 상당한 양의 폐가스를 발생시합니다. 이것은 기후 변화에 기여하고 연료 전지를 독살하고 조작성을 감소시다.

물의 전기 분해는 오염 가스가 없는 깨끗한 수소 가스를 생산하는 대체 방법입니다. 전기 분해에서 물은 전류를 사용하여 수소와 산소 가스로 분할됩니다. 이를 위해 전력원은 불활성 금속으로 만들어진 두 개의 전극에 연결됩니다. 그런 다음 전극을 물에 넣고 전류가 적용됩니다. 소규모 전해의 경우 배터리 또는 소형 태양전지 패널을 사용하여 물을 분할하기에 충분한 전류를 생성할 수 있습니다. 그러나 대규모 응용 분야에서는 더 높은 에너지 밀도 소스가 필요합니다.

전해 반응은 산화 감소, 또는 레독스, 반응이다. 균형 잡힌 화학 반응에 따르면 산소 분자로 생산되는 수소 분자의 두 배가 있습니다. 이러한 전기화학 반응에서 생성된 수소 가스를 수집하여 연료 전지에서 연료로 사용할 수 있습니다. 양성자 교환 멤브레인 또는 PEM은 연료 전지가 화학 에너지 또는 수소 가스를 전기 에너지로 변환합니다. 전해와 마찬가지로 PEM 연료 전지는 레독스 반응을 사용합니다. 수소 가스는 연료 전지 조립의 양극으로 전달되며, 여기서 양성자와 전자를 형성하기 위해 산화된다.

양전하 양성자는 양성자 교환막을 가로질러 음극으로 이동합니다. 그러나, 음전하 전자는 멤브레인에 침투할 수 없다. 전자는 외부 회로를 통과하여 전류를 제공합니다. 산소 가스는 환원 반응이 발생하는 연료 전지 조립의 음극으로 전달됩니다. 거기에서 산소는 양극에서 생성된 양성자 및 전자와 반응하여 물을 형성합니다. 그런 다음 연료 전지에서 물을 폐기물로 제거합니다.

이제 연료 전지 작동의 기본이 설명되었으므로 실험실에서이 과정을 살펴 보겠습니다.

절차를 시작하려면 전해질기와 두 개의 가스 수집 실린더를 설정합니다. 외부 용기를 증류수로 0마크로 채웁니다. 가스 수집 실린더를 외부 용기에 배치합니다.

다음으로, 튜브를 사용하여 전해질기를 가스 수집 실린더에 연결합니다. 점퍼 와이어를 사용하여 태양 전지판을 전해질에 연결합니다. 수소 가스 의 생산에 전력을 공급하기 위해 직사광선에 태양 전지 판을 배치합니다. 자연채광이 충분하지 않으면 램프를 사용하여 햇빛을 시뮬레이션합니다.

수소와 산소 가스는 내부 가스 수집 실린더에 들어가기 시작합니다. 외부 실린더에 표시된 스케일을 사용하여 30-s 간격으로 생성된 각 가스의 부피를 모니터링합니다.

내부 실린더가 수소 가스로 완전히 가득 차면 내부 실린더에서 거품이 나타나 결국 표면에 도달합니다. 이 시점에서, 전해질기에서 태양 전지 판을 분리하고 수소 가스 튜브에 cincher를 닫습니다, 그래서 수소 가스의 아무도 탈출하지 않습니다. 균형 잡힌 화학 방정식에서 예측한 바와 같이 산소 가스보다 두 배 나 많은 수소 가스가 생성됩니다.

연료 전지 작동을 시작하려면 연료 전지를 벤치 상단에 놓습니다. 전해질기에서 수소 가스 튜브를 분리하여 연료 전지에 연결합니다. 필요한 산소는 공중에서 수집됩니다.

연료 전지를 팬 또는 LED 라이트에 연결하여 발전효과를 시각화합니다. 수소 가스 튜브에 끼친 치크를 방출하여 연료 전지로 가스가 흐를 수 있도록 합니다. 팬이 회전하지 않으면 연료 전지의 퍼지 밸브를 눌러 가스 흐름을 장려합니다.

모든 수소 가스가 소모될 때까지 팬은 계속 회전합니다.

청정 에너지 솔루션으로 개발되고 있는 연료 전지에는 여러 가지 유형이 있습니다. 여기서 우리는 세 가지 새로운 기술을 제시합니다.

고체 산화물 연료 전지 또는 SOFC의 또 다른 유형은 침투성 멤브레인이 고체 산화물으로 대체되는 것을 제외하고는 PEM 연료 전지와 유사하게 작동하는 또 다른 유형의 연료 전지입니다. PEM 연료 전지와 마찬가지로, 황과 탄소를 함유한 오염 가스에 노출되면 SOFC의 작동성이 감소합니다. 이 예에서, SOFC 전극은 유황 및 탄소 오염 연료의 존재에서 고온에서 일반적인 작동 환경에 노출되었다.

전극 표면 중독은 전기 화학 및 라만 분광법을 사용하여 연구되었다. 결과는 황 중독에 전류가 감소되었다는 것을 보여주었습니다, 그러나 복구는 가능했습니다. 원자력 현미경 연구는 탄소 침전물의 형태를 해명, 이 중독을 방지하기 위해 추가 개발로 이어질 수 있습니다.

미생물 연료 전지는 자연에서 발견되는 박테리아에서 전류를 추출합니다. 이 예에서는 폐수 처리 공장에서 획득한 박테리아가 재배되어 생물막을 배양하는 데 사용되었습니다. 전극 의 표면에 박테리아를 배양하기 위해 3 개의 전극 전극 전극 세포가 설치되었습니다. 바이오필름은 여러 성장 주기에서 전기화학적으로 성장했습니다.

결과 생물막은 그 때 세포외 전자 전송을 위해 전기화학적으로 시험되었다. 전기화학적 결과는 전자 전달과 미생물 연료 전지에 대한 생막의 잠재적 적용을 이해하는 데 사용되었다.

전기 분해는 물을 수소와 산소로 분해하기 위해 에너지가 필요합니다. 이 공정은 대규모에너지 집약적이지만, 태양전지를 이용하여 소규모로 작동할 수 있다.

전기 분해를 위한 대체 에너지원은 풍력 발전입니다. 실험실에서 전기 분해는 벤치 스케일 풍력 터빈으로 구동될 수 있습니다. 이 데모에서는 풍력 터빈이 탁상 팬에 의해 생성된 시뮬레이션 된 바람을 사용하여 구동되었습니다.

PEM 연료 전지에 대한 JoVE의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 PEM 연료 전지의 기본 작동과 전기 분해를 통한 수소 가스 생성을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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전해 시술 중에 태양전지판이 연결되어 햇빛에 노출되면 수소와 산소 가스가 생성됩니다. 내부 실린더(표 1)를 채우기 위해서는 충분한H2 가스를 생성하는 데 약10분이걸립니다. 균형 잡힌 방정식에서 볼 수 있듯이 O2보다 두 배 많은 H2가생성됩니다.

2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

H2 가스가 생성되고 튜브가 연료 전지와 연결되면 연료 전지가 전기를 생성하고 팬이 회전하게 합니다. 이것은 H2 가스의 전체 실린더에서 약 10 분 동안 지속됩니다.

시간 (들) 수소 생성(mL) 산소 발생(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

표 1: 다양한 수소 및 산소 양을 생성하는 데 필요한 시간

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Applications and Summary

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수소는 유연한 연료입니다. 현지 용도로 소량 또는 중앙 집중식 시설에서 대량으로 현장에서 생산할 수 있습니다. 수소는 부산물로만 물을 사용하여 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다(풍력 터빈과 같은 재생 가능한 에너지원이 수소 가스를 생성하는 데 사용되었습니다). 예를 들어 콜로라도 볼더에서 Wind2H2 프로젝트에는 풍력 터빈과 태양전지 패널이 있어 물에서 수소 가스를 생산한 다음 수소 연료 스테이션에 사용할 수 있도록 저장합니다.

이 공정은 화석 연료 대신 수소 가스(H2)에서자동차를 주행하는 데에도 사용할 수 있습니다. PEM 연료 전지가 자동차에 설치되면 전기를 사용하여 모터를 실행할 수 있습니다. 유일한 배기는 물 (H2O)입니다. 대기 오염 관점에서, 이것은 유리합니다. 주요 자동차 제조업체에서 개발 중인 많은 프로토타입 연료 전지 자동차가 있습니다. 현재 압축수소 탱크를 차량에 저장하는 데 필요한 공간의 양으로 인해 수소 연료 전지는 주로 버스에서 볼 수 있습니다. 연료 전지 버스는 전 세계 여러 국가에서 찾을 수 있습니다. 연료 전지 자동차가 H2 가스를 만들 때 더 많은 인프라 제공, 비용 절감 및 재생 에너지원의 사용 증가를 포함하여 내연 기관 자동차에 대한 실행 가능한 대안이되기 전에 해결해야 할 몇 가지 기술적 문제가 있습니다.

또한 수소 연료 전지는 비디오 카메라 및 라디오와 같은 것들에 배터리 대신 사용할 수 있습니다. 예를 들어 USB 호환 장치를 충전하는 데 사용할 수 있는 수소 연료 전지 기술을 기반으로 하는 휴대용 파워 팩인 UPP 장치가 있습니다.

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