プロトン交換膜燃料電池

マーガレット職人とキンバリー ・ フライ - デュポール大学のソース: 研究所

米国は、大量のエネルギーを消費する-現在のレートは年間約 9 京 7500 兆 btu 単位。このエネルギーの大半 (90%) は非再生可能燃料の源から来る。このエネルギーは電気 (39%) の使用、住宅/商業、産業 (22%)、交通機関 (28%) 使用 (11%)。世界は、これらの非再生可能エネルギー源の限られた供給は、(その他) の中でアメリカ合衆国は将来のエネルギー ニーズに合わせて再生可能エネルギー源の利用を拡大しています。これらの源の一つは水素です。

それは多くの重要な基準を満たしているので、水素が潜在的な再生可能な燃料源と見なされます: 国内利用可能だ、それは、いくつかの有害な汚染物質、エネルギー効率、およびそれの簡単なハーネスします。水素は宇宙で最も豊富な要素が、唯一地球上で複合形式であります。H₂o. として水の酸素と組み合わせるなど、燃料として役に立つには、それは、H₂ガスの形でする必要があります。したがって、水素車または他の電子機器の燃料として使用する場合は、H₂は最初にされる必要があります。Thusly、水素と呼ばれます「エネルギー キャリア」ではなく、「燃料」です。

現在、H₂ガスを作る最も人気のある方法は、炭化水素や石炭ガスの水蒸気改質反応によって、化石燃料からです。これは化石燃料への依存を減らさないし、エネルギー集中であります。水の電気分解は使用頻度の低い方法です。これも、エネルギー源が必要ですが、それは風や太陽光発電などの再生可能エネルギー源をすることができます。電解で、水 (H₂O) は、電気化学的反応により水素ガス (H₂) と酸素 (O₂)、その部品に分割されます。電解プロセスを通じて行われた水素ガスは、プロトン交換膜 (PEM) 燃料電池で、電気電流を生成する使用できます。この電流は、モーター、ライト、およびその他の電気機器の電源を使用できます。

電気分解による水素ガスの発生は、この実験の一部です。電解で、水は、水素と酸素、次の電気化学反応を通じてその部品に分かれています。

2 H₂O_(l) → 2 H_2(g) + O_2(g)

倍の水素分子が酸素分子として生産があります。この反応は自発的に起こらないし、電気エネルギー、例えば、ソーラー パネルのソースを必要があります。これは、酸化還元反応です。化学反応のこれらのタイプは、2 つの部分に分割できます: 酸化反応と還元反応。半反応と呼びます。半反応酸化で電子が解放されます。還元半反応、電子を承ります。

酸化: 2 H₂O_(l) → O_2(g) +_(aq) 4 H⁺+ 4 e^-
低減: 4 H⁺_(aq) + 4 e^- → 2 H_2(g)

水素ガスを収集し、(PEM) 燃料電池 (図 1) の後で使用するため保存することができます。

この実験の一部 II は、ファンの電源に電気を生成する燃料として水素吸蔵ガスを使用して含まれます。この実験で使用されている燃料電池は、PEM 燃料電池です。PEM 燃料電池は、バッテリーのような電子の移動は、化学反応によって電気を作成することです。PEM 燃料電池内の半分の反作用は次のとおりです。

酸化: 2 H_2(g) → 4 H⁺_(aq) + 4 e^-
4 e^- → 2 H₂O_(l) + O_2(g) 4 H⁺_(aq)低減:

全体的な反応は: 2 H_2(g) + O_2(g) → 2 H₂O_(l) + エネルギー

これらの半反応の電極で発生する (通過する電気伝導体)。PEM 燃料電池では、2 つの電極: アノード及びカソード。酸化反応は、陽極で発生します。削減は、陰極で発生します。だから、陽極で PEM 燃料電池で水素ガスが酸化され、回路に電子が放出されます。陰極に酸素ガスが軽減され、水が形成されます。PEM の燃料電池のプロトン交換膜は 2 つの電極を分離します。この膜はプロトン (H⁺)、流れることをできますが、電子が細胞膜に入るを防ぎます。従って電子は、通過する電気回路 (図 2) が余儀なくされます。

図 1: 図作り出します。

図 2: PEM 燃料電池。

1. 水素ガスを生成するのにこの電解槽を使用

1. 電解槽 (図 3) をセットアップします。
2. ガスボンベ コレクションを設定すると、0 のマーク (図 4) では外筒に蒸溜された水のレベルを確かめます。
3. この電解槽をガスボンベ コレクション (図 5) に接続します。
4. ジャンパー線を用いた電解槽に太陽電池パネルを接続し、直射日光 (図 6) を公開します。太陽をシミュレートする電球とランプを使用して、その日を天気が協力していない場合に注意してください。
5. H₂と O₂ガスが内筒 (図 7) を入力を開始されます。モニター 30 の間隔で各ガスの容積生産のスケールを使用して外側のシリンダー上のマーク。H₂ガス内筒いっぱいに約 10 分かかります。
6. 内筒は、H₂ガスの完全が、いくつかの泡必要があります最終的に地表に到達、内筒から出てくる。この時点で、この電解槽から太陽電池パネルを切断し、エスケープ H₂ガスのどれも、H₂ガス管にニッパーを閉じます。バランスの取れた化学方程式で予測倍として、酸素ガスとして水素ガスが生成されることに注意してください。

2. 燃料電池

1. 燃料電池 (図 8) をセットアップします。
2. この電解槽から H₂ガス管を外し、燃料電池に接続します。
3. ファン (またはファンが利用できます (図 9) ではない場合は、LED の光) に燃料電池を接続し、H₂ガス管 (図 10) に鞍帯をリリースします。ファンが回転を始める必要があります。、ガスの流れを得るためには、燃料セルのパージ バルブを押していない場合。
4. ファンは、すべての H₂ガスがなくなるまで回転を続けています。これは約 5 分を持続させるべき。

図 3: この電解槽の画像。

図 4: コレクション ガスボンベ蒸留水位が 0 に等しい。

図 5: この電解槽の画像コレクション ガスボンベに接続されています。

図 6: 太陽電池パネルは、ジャンパー ワイヤ電解槽に接続されています。

図 7: シリンダーに入るガスの例。

図 8: 燃料電池の画像。

図 9: 燃料電池は、ファンではなく LED ライトに接続されています。

図 10: この電解槽は、ファンに接続されている燃料電池に接続します。

電解中に、ソーラー パネルが接続され、日光にさらされると、水素と酸素ガスが生成されます。内筒 (表 1) に合わせて十分な H₂ガスを生成する約 10 分かかります。バランスの取れた方程式に見られるように倍の H₂ O₂と生成があることに注意してください。

2 H₂O_(l) → 2 H_2(g) + O_2(g)

H₂ガスが発生し、チューブが燃料電池に接続されている、燃料電池は電気を生成し、ファンが回転するが発生します。これは完全な円柱で H₂ガスの約 10 分を持続させます。

時間 (秒)	水素生成 (mL)	酸素生成 (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

表 1: 時間別の水素と酸素の量を生成するために必要な

水素は、柔軟な燃料です。ローカル使用のための少量でまたは集中管理された施設で大量に敷地内製作可能します。水素は、(提供されるエネルギー、風力発電のような再生可能エネルギー源は、水素ガスを生成に使用された)、副産物として電気と水だけを生成する使用できます。たとえば、ボールダー、コロラド州、Wind2H2 プロジェクトは、風力タービンとソーラー パネルが水から水素ガスを生産し、水素ステーションで格納しておくための電解槽に接続されています。

このプロセスは、化石燃料の代わりに水素ガス (H₂) で実行される車にも使用できます。車の燃料電池をインストールすると、電気がモーターを実行する使用できます。唯一の排気は、水 (H₂O) になります。空気汚染の観点から、これは便利です。主要な自動車メーカーによって開発されている多くのプロトタイプ燃料電池車があります。現在車載高圧水素タンクを格納に必要な領域の量のため水素燃料電池は主にバスで見られます。燃料電池バスは、世界中のいくつかの国で見つけることができます。燃料電池車は、コスト削減、再生可能エネルギー源の使用の増加 H₂ガスを作るときより多くのインフラストラクチャを提供するなど内燃機関車に代わる前に対処する必要がありますいくつかの技術的な問題があります。

さらに、水素燃料電池は、ビデオ カメラと無線のようなものを電池の代わりに使用できます。例は、USB 互換デバイスを充電するため水素燃料電池技術に基づくポータブル電源パックは、UPP のデバイスです。