תאי דלק ממברנה חילופי פרוטון

חלק א' של הניסוי הזה כרוך ביצירת גז מימן באמצעות אלקטרוליזה. באלקטרוליזה, המים מפוצלים לחלקי הרכיבים שלה, מימן וחמצן, באמצעות התגובה האלקטרוכימית הבאה:

2 שעות₂O_(l) → 2 H_2(g) + O_2(g)

ישנן פי שניים מולקולות מימן המיוצרות ממולקולות חמצן. תגובה זו אינה מתרחשת באופן ספונטני וזקוקה למקור של אנרגיה חשמלית, למשל,פאנל סולארי. זוהי תגובה הפחתת חמצון. סוגים אלה של תגובות כימיות ניתן לפצל לשני חלקים: תגובת חמצון ואת תגובת ההפחתה. אלה נקראים חצאי תגובות. בחצי תגובת החמצון, אלקטרונים משתחררים. בהפחתת חצי תגובה, אלקטרונים מתקבלים.

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

ניתן לאסוף ולאחסן את גז המימן לשימוש במועד מאוחר יותר בתא דלק (PEM)(איור 1).

חלק II של ניסוי זה כרוך בשימוש בגז המימן המאוחסן כדלק לייצור חשמל להפעלת מאוורר. תא הדלק המשמש בניסוי זה הוא תא דלק PEM. תא הדלק PEM הוא כמו סוללה, בכך שהוא יוצר חשמל באמצעות תגובה כימית הכרוכה בהעברת אלקטרונים. בתא הדלק PEM, חצי התגובות הן כדלקמן:

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

התגובה הכוללת היא: 2 H_2(g) + O_2(g) → 2 H₂O_(l) + אנרגיה

חצאי תגובות אלה מתרחשים באלקטרודות (מוליכים שדרכם עובר החשמל). בתא הדלק PEM, יש שתי אלקטרודות: אנודה וקתודה. חמצון מתרחשת אנודה. הפחתה מתרחשת בקתודה. אז, בתא הדלק PEM באנודה, גז מימן מחומצן, ואלקטרונים משתחררים למעגל. בקתודה, גז חמצן מופחת ומים נוצרים. בתא הדלק PEM, קרום חילופי פרוטונים מפריד בין שתי האלקטרודות. קרום זה מאפשר פרוטונים (H⁺) לזרום דרך, אבל מונע אלקטרונים מלהיכנס לממברנה. כך האלקטרונים נאלצים לזרום דרך המעגל החשמלי(איור 2).

איור 1: תרשים של אלקטרוליזר.

איור 2: תא דלק PEM.

במהלך הליך האלקטרוליזה, מימן וגז חמצן נוצרים ברגע שהפאנל הסולארי מחובר ונחשף לאור השמש. זה לוקח בערך 10 דקות כדי ליצור מספיק גז H₂ כדי למלא את הגליל הפנימי(טבלה 1). שים לב שיש פי שניים H₂ שנוצר מ O₂, כפי שניתן לראות במשוואה מאוזנת:

2 שעות₂O_(l) → 2 H_2(g) + O_2(g)

לאחר שנוצר גז H₂ והצינורות מחוברים לתא הדלק, תא הדלק מייצר חשמל וגורם למאוורר להסתובב. זה נמשך כ -10 דקות על צילינדר מלא של גז H_2.

טבלה 1: הזמן הנדרש ליצירת כמויות מימן וחמצן שונות

מימן הוא דלק גמיש. זה יכול להיות מיוצר באתר בכמויות קטנות לשימוש מקומי או בכמויות גדולות במתקן מרכזי. לאחר מכן ניתן להשתמש במימן לייצור חשמל עם מים בלבד כיוצר לוואי (בתנאי שמקור אנרגיה מתחדש, כמו טורבינת רוח, שימש לייצור גז המימן). לדוגמה, בבולדר, קולורדו, פרויקט Wind2H2 כולל טורבינות רוח ופאנלים סולאריים המחוברים לאלקטרולייזרים המייצרים גז מימן ממים ולאחר מכן מאחסנים אותו לשימוש בתחנת תדלוק המימן שלהם.

תהליך זה יכול לשמש גם כדי לגרום למכוניות לפעול על גז מימן (H₂) במקום דלקים מאובנים. אם תא דלק PEM מותקן במכונית, ניתן להשתמש בחשמל כדי להפעיל את המנוע. הפליטה היחידה תהיה מים (H₂O). מנקודת מבט של זיהום אוויר, זה יתרון. ישנם מכוניות תא דלק רבות שפותחו על ידי יצרני רכב גדולים. בשל כמות השטח הנדרשת כיום לאחסון מיכלי המימן הדחוסים על רכב, תאי דלק מימן נראים בעיקר באוטובוסים. ניתן למצוא אוטובוסים של תאי דלק במספר מדינות ברחבי העולם. ישנן כמה בעיות טכנולוגיות שיש לטפל בהן לפני שמכוניות תא דלק הן חלופה מעשית למכוניות מנועי בעירה פנימית, כולל אספקת תשתיות נוספות, הפחתת עלויות ושימוש מוגבר במקורות אנרגיה מתחדשת בעת ייצור גז H_2.

בנוסף, ניתן להשתמש בתאי דלק מימן במקום סוללות לדברים כמו מצלמות וידאו ורדיו. דוגמה לכך היא התקן UPP, שהוא ערכת כוח ניידת המבוססת על טכנולוגיית תאי דלק מימן שניתן להשתמש בה כדי לטעון התקנים תואמי USB.