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Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones
 

Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones

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Las pilas de combustible son dispositivos que transforman energía química a energía eléctrica y se utilizan con frecuencia como fuente de energía limpia y alternativa.

Aunque la gasolina sigue siendo la fuente principal combustible para los vehículos en los Estados Unidos, fuentes alternativas de combustible han sido exploradas en las últimas décadas con el fin de disminuir la dependencia de combustibles fósiles y generar las fuentes de energía limpia.

Las pilas de hidrógeno utilizan hidrógeno limpio como combustible y produce sólo agua como residuo. Aunque a menudo se comparan a las baterías, las pilas de combustible son más similares a los motores de automóvil, ya que no pueden almacenar energía y requieren una fuente constante de combustible para producir energía. Como resultado, una cantidad significativa de hidrógeno es necesaria para la operación de celdas de combustible constante.

Este video presenta electrólisis a escala de laboratorio del agua para producir hidrógeno gas, seguido por el funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno en pequeña escala.

Hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. En la tierra, se encuentra principalmente en compuestos con otros elementos. Por lo tanto, para poder utilizar elemental hidrógeno como combustible, debe ser refinado de otros compuestos. Más el gas de hidrógeno se produce con el proceso de reformado de metano de alto consumo energético, que aísla el hidrógeno a partir de gas metano. Sin embargo, este proceso es muy intensivo de energía, utiliza los combustibles fósiles y produce cantidades significativas de gases residuales. Esto contribuye al cambio climático y también envenena a las células de combustible y disminuye la operabilidad.

La electrólisis del agua es un método alternativo para producir gas de hidrógeno limpio, hidrógeno significa que está libre de gases contaminantes. En la electrólisis, el agua se divide en gas hidrógeno y oxígeno, utilizando una corriente eléctrica. Para ello, una fuente de alimentación eléctrica está conectada a dos electrodos, que están hechos de un metal inerte. Los electrodos se colocan en el agua y la corriente eléctrica aplicada. Para electrólisis en pequeña escala, puede utilizarse una batería o un panel solar pequeño para generar la corriente suficiente para dividir el agua. Sin embargo en aplicaciones a gran escala, se requieren fuentes de densidad de energía mayor.

La reacción de electrólisis es una reacción de oxidación-reducción o redox. Hay dos veces más moléculas de hidrógeno producidas como moléculas de oxígeno, según la reacción química balanceada. El gas de hidrógeno generado por esta reacción electroquímica puede ser recogido y almacenado para su uso como combustible en una celda de combustible. Una membrana de intercambio de protones, o PEM, pila transforma energía química, o hidrógeno a energía eléctrica. Como con la electrólisis, la pila de combustible PEM emplea una reacción redox. El gas de hidrógeno se entrega al ánodo de la pila de combustible de Asamblea, donde se oxida para formar protones y electrones.

Los protones de carga positiva migran a través de la membrana de intercambio de protones, al cátodo. Sin embargo, los electrones negativamente cargados son incapaces de penetrar la membrana. Los electrones viajan a través de un circuito externo, proporcionando corriente eléctrica. Gas oxígeno se suministra al cátodo de la pila de combustible de Asamblea, donde se produce la reacción de reducción. Allí, el oxígeno reacciona con los protones y electrones generados en el ánodo, para formar agua. El agua entonces se quita de la pila de combustible como residuos.

Ahora que se han explicado los fundamentos de la operación de celdas de combustible, vamos a ver este proceso en el laboratorio.

Para comenzar el procedimiento, configurar el electrolizador y las botellas de colección de dos gas. Llene los envases exteriores con agua destilada hasta la marca de cero. Coloque las botellas de colección de gas en los recipientes exteriores.

A continuación, conecte el electrolizador a las botellas de colección de gas con tubería. Conectar un panel solar para el electrolizador mediante hilos puente. Coloque el panel solar en luz directa sol para la producción de gas de hidrógeno de la energía. Si no hay suficiente luz natural, simular usando una lámpara de la luz del sol.

Gas hidrógeno y oxígeno empezará a entrar en las botellas de colección de gas interno. Monitor el volumen de cada gas se produce en intervalos de 30 s, usando la escala marcada en el cilindro exterior.

Cuando el cilindro interior está completamente lleno de gas hidrógeno, burbujas emergerán del cilindro interno, eventualmente alcanza la superficie. En este momento, desconecte el panel solar del electrolizador y cierre a la faja en el tubo de gas de hidrógeno, de manera que ninguno de los gases de hidrógeno escapa. Nota allí es dos veces más producir gas hidrógeno como gas de oxígeno, como es predicho en la ecuación química balanceada.

Para iniciar la operación de celdas de combustible, coloque la pila de combustible en la mesa. Desconecte el tubo de gas de hidrógeno del electrolizador y conectarlo a la pila de combustible. Se recoge el oxígeno necesario del aire.

Conectar la pila de combustible a un ventilador o una luz para visualizar la generación de energía. Soltar la cincha en el tubo de gas de hidrógeno para permitir el flujo del gas a la pila de combustible. Si el ventilador comienza a girar, presione la válvula de purga en la pila de combustible para fomentar el flujo de gas.

El ventilador continuará a girar hasta que se consume todo el gas de hidrógeno.

Hay muchos tipos diferentes de células de combustible que están siendo desarrollados como soluciones de energía limpia. Aquí presentamos tres tecnologías emergentes.

Las células de combustible de óxido sólido SOFC, es otro tipo de célula de combustible, que funcionan de manera similar a una celda de combustible PEM, salvo la membrana permeable se sustituye por un óxido sólido. Como con pilas de combustible PEM, operabilidad disminución de SOFC con la exposición a contaminantes de gases que contienen azufre y carbono. En este ejemplo, electrodos SOFC fueron fabricados y expuestos a funcionamiento típico entornos a alta temperatura en presencia de azufre y carbono contaminación combustible.

Electrodo superficial envenenamiento fue estudiado usando electroquímica y espectroscopía Raman. Los resultados mostraron que corriente fue disminuida al azufre, envenenamiento, pero que la recuperación era posible. Estudios de microscopía de fuerza atómica dilucidar la morfología de los depósitos de carbón, que puede llevar a desarrollo para prevenir la intoxicación.

Una célula de combustible microbiana deriva corriente de bacterias que se encuentran en la naturaleza. En este ejemplo, bacterias de plantas de tratamiento de aguas residuales fueron cultivadas y solía cultura biofilms. Una celda electroquímica de tres electrodos se creó, en orden para cultivar bacterias en la superficie de un electrodo. El biofilm se cultivaba electroquímicamente en varios ciclos de crecimiento.

El biofilm resultante fue probado luego por transferencia de electrones extracelular electroquímicamente. Luego se utilizaron los resultados electroquímicos para entender la transferencia de electrones y la aplicación de la biopelícula las células de combustible microbianas.

Electrólisis requiere energía para romper el agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso es energía intensiva en gran escala, pero puede usarse en pequeña escala utilizando una célula solar.

Una fuente alternativa de energía para la electrólisis es la energía eólica. En el laboratorio, la electrólisis puede ser alimentada con una turbina de viento-escala. En esta demostración, fue impulsado el aerogenerador con viento simulado generado por un ventilador de mesa.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la celda de combustible PEM. Ahora debe comprender el funcionamiento básico de una celda de combustible PEM y la generación de hidrógeno mediante electrólisis. ¡Gracias por ver!

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