양성자 교환막 연료 전지

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 H_{2 (g)} + O_{2 (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) → O_{2 (g)} + 4 H⁺_(aq) + 4 전자^-
감소: 4 H⁺_(aq) + 4 전자^- → 2 H_{2 (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 H_{2 (g)} → 4 H⁺_(aq) + 4 전자^-
감소: 4 H⁺_(aq) + O_{2 (g)} + 4 전자^- → 2 H₂O_(l)

전반적인 반응은 : 2 H_{2 (g)} + O_{2 (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).

그림 1: 전해질의 다이어그램입니다.

그림 2: 펨 연료 전지.

전해 시술 중에 태양전지판이 연결되어 햇빛에 노출되면 수소와 산소 가스가 생성됩니다. 내부 실린더(표 1)를 채우기 위해서는 충분한_H2 가스를 생성하는 데 약10분이걸립니다. 균형 잡힌 방정식에서 볼 수 있듯이 O_2보다 두 배 많은 H_2가생성됩니다.

2 H₂O_(l) → 2 H_{2 (g)} + O_{2 (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

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(H_2)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.