Исследование процессов электролизного получения водорода и кислорода при последовательном и параллельном подключении электродов

Авторы

  • Andrii A. Shevchenko Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0002-6009-2387
  • Mykola M. Zipunnikov Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0002-0579-2962
  • Аnatolii L. Kotenko Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0003-2715-634X
  • Natalia A. Chorna Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0002-9161-0298

Ключевые слова:

электролизер, последовательное и параллельное соединение электродов, водород, кислород, высокое давление

Аннотация

В статье представлены теоретические и экспериментальные исследования процесса электрохимического образования водорода и кислорода при параллельном и последовательном подключении электродов в одном электролитном объеме. Это исследование основано на законах сохранения массы, термодинамики, электротехники, электрохимии с использованием данных, полученных на основе методов математического и физического моделирования. Приведены данные по разработке и исследованию двух конструкций электродных сборок, а именно, с параллельным и последовательным соединением электродов, с последующим размещением каждого пакета в одном электролитном объеме. Экспериментальные и расчетные данные позволили выявить закономерности протекания электрохимической реакции разложения жидкого электролита на водород и кислород, распределения напряжения при параллельном и последовательном подключении электродов в одном электролитном объеме. Также было установлено изменение электрического потенциала между внутренними электродами. Замер напряжения проводился от электрода 1 к электроду 4. Результаты экспериментальных исследований были отражены графически. Из приведенных графиков видно, что напряжение на клеммах внутренних электродов ниже, чем необходимо для протекания электрохимической реакции разложения жидкого электролита с генерированием газообразного водорода. Для реализации концепции размещения последовательного (биполярного) соединения электродов в одном электролитном объеме необходимо акцентировать внимание на разработке конструкции электролизера, который позволит: разъединить электроды электрически и обеспечить гальваническую изоляцию их между собой (отдельно изолированные электролитные объемы для каждой электродной пары). Это даст возможность повысить рабочее давление сгенерированных водорода и кислорода до 20,0 МПа и снизить токовую нагрузку электролизного процесса при использовании альтернативных источников энергии.

Биографии авторов

Mykola M. Zipunnikov, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10)

Кандидат технических наук

Natalia A. Chorna, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10)

Кандидат технических наук

Библиографические ссылки

Iordache, I., Bouzek, K., Paidar, M., Stehlík, K., Töpler, J., Stygar, M., Dąbrowa, J., Brylewski, T., Stefanescu, I., Iordache, M., Schitea, D., Grigoriev, S. A., Fateev, V. N., & Zgonnik, V. (2019). The hydrogen context and vulnerabilities in the central and Eastern European countries. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, iss. 35, pp. 19036–19054. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.128" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.128.

Esposito, D. V. (2017). Membraneless electrolyzers for low-cost hydrogen production in a renewable energy future. Joule, vol. 1, iss. 4, pp. 651–658. https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.07.003" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.07.003.

Reuß, M., Reul, J., Grube, T., Langemann, M., Calnan, S., Robinius, M., Schlatmann, R., Rau, U., & Stolten, D. (2019). Solar hydrogen production: A bottom-up analysis of different photovoltaic–electrolysis pathways. Sustainable Energy Fuels, iss. 3, pp. 801–813. https://doi.org/10.1039/C9SE00007K.

Wirkert, F. J., Roth, J., Jagalski, S., Neuhaus, P., Rost, U., & Brodmann, M. (2020). A modular design approach for PEM electrolyser systems with homogeneous operation conditions and highly efficient heat management. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, iss. 2, pp. 1226–1235. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.185.

Chang, W. J., Lee, K.-H., Ha, H., Jin, K., Kim, G., Hwang, S.-T., Lee, H., Ahn, S.-W., Yoon, W., Seo, H., Hong, J. S., Go, Y. K., Ha, J.-I., Nam, K. T. (2017). Design principle and loss engineering for photovoltaic–electrolysis cell system. ACS Omega, vol. 2, iss. 3, pp. 1009–1018. https://doi.org/10.1021/acsomega.7b00012">https://doi.org/10.1021/acsomega.7b00012.

Smolinka, T. (2009). Fuels – hydrogen production. Water electrolysis. Encyclopedia Electrochemical Power Sources, pp. 394–413. https://doi.org/10.1016/B978-044452745-5.00315-4" target="_blank">https://doi.org/10.1016/B978-044452745-5.00315-4.

Phillips, R. & Dunnill, Ch. W. (2016). Zero gap alkaline electrolysis cell design for renewable energy storage as hydrogen gas. RSC Advances, vol. 6, iss. 102, pp. 100643–100651. https://doi.org/10.1039/C6RA22242K.

Kaya, M. F., Demir, N., Rees, N. V., & El-Kharouf, A. (2020). Improving PEM water electrolyser’s performance by magnetic field application. Applied Energy, vol. 264, pp. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114721.

Shevchenko, A. A., Zipunnikov, M. M., Kotenko, А. L., Vorobiova, I. O., & Semykin, V. M. (2019). Study of the influence of operating conditions on high pressure electrolyzer efficiency. Journal of Mechanical Engineering, vol. 22, no. 4, pp. 53–60. https://doi.org/10.15407/pmach2019.04.053.

Maier, M., Meyer, Q., Majasan, J., Tan, C., Dedigama, I., Robinson, J., Dodwell, J., Wu, Y., Castanheira, L., Hinds, G., Shearing, P. R., & Brett, D. J. L. (2019). Operando flow regime diagnosis using acoustic emission in a polymer electrolyte membrane water electrolyser. Journal of Power Sources, vol. 424, pp. 138–149. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.03.061.

Matsevytyi, Yu. M., Chorna, N. A., & Shevchenko, A. A. (2019). Development of a perspective metal hydride energy accumulation system based on fuel cells for wind energetics. Journal of Mechanical Engineering, vol. 22, no. 4, pp. 48–52. https://doi.org/10.15407/pmach2019.04.048.

Shevchenko, A. (2020). Sozdaniye avtonomnykh i setevykh energotekhnologicheskikh kompleksov s vodorodnym nakopitelem energii [Creation of autonomous and networked energy technology complexes with hydrogen energy storage. Renewable energy]. Vozobnovlyayemaya energetika – Vidnovluvana energetika, no. 2 (61), pp. 18–27 (in Russian). https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).18-27.

Shevchenko, A. A., Kozak, L. R., Zipunnikov, N. N., & Kotenko, A. L. (2020). Razrabotka avtonomnykh energotekhnologicheskikh kompleksov s vodorodnym nakopitelem energii [Development of autonomous energy technology complexes with hydrogen energy storage]. Kosmicheskaya tekhnika. Raketnoye vooruzheniye – Space technology. Missile armaments, no. 1, pp. 160–169 (in Russian). https://doi.org/10.33136/stma2020.01.160.

Aminov, R. Z., Bairamov, A. N., & Garievskii, M. V. (2020). Estimating the system efficiency of the multifunctional hydrogen complex at nuclear power plants. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, iss. 29, pp. 14614–14624. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.187.

Morozov, Yu. P. (2018). Vliyaniye teplopritoka gornogo massiva na temperaturnyy rezhim geotermalnoy tsirkulyatsionnoy sistemy [Influence of heat flow of a mountain massif on the temperature regime of the geothermal circulation system]. Alternativnaya energetika i ekologiya (ISJAEE) – Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), no. 25–30, pp. 44–50 (in Russian). https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.25-30.044-050.

Sanath, Y., De Silva, K., Middleton, P. H., & Kolhe, M. (2019). Performance analysis of single cell alkaline electrolyser using mathematical model. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 605, pp. 1–13. https://doi.org/10.1088/1757-899X/605/1/012002.

Davis, J. T., Qi, J., Fan, X., Bui, J. C., & Esposito, D. V. (2018). Floating membraneless PV-electrolyzer based on buoyancy-driven product separation. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, iss. 3, pp. 1224–1238. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.086.

Solovey, V. V., Zhirov, A. S., & Shevchenko, A. A. (2003). Vliyaniye rezhimnykh faktorov na effektivnost elektrolizera vysokogo davleniya [Influence of regime factors on the efficiency of a high pressure electrolyzer]. Sovershenstvovaniye turboustanovok metodami matematicheskogo i fizicheskogo modelirovaniya – Improvement of turbine plants by methods of mathematical and physical modeling: collection of scientific papers, pp. 250–254 (in Russian).

Nikolic, V. M., Tasic, G. S., Maksic, A. D., Saponjic, D. P., Miulovic, S. M., & Marceta Kaninski, M. P. (2010). Raising efficiency of hydrogen generation from alkaline water electrolysis–Energy saving. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 35, iss. 22, pp. 12369–12373. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.08.069" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.08.069.

Schalenbach, M., Carmo, M., Fritz, D. L., Mergel, J., & Stolten, D. (2013). Pressurized PEM water electrolysis: Efficiency and gas crossover. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, iss. 35, pp. 14921–14933. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.09.013" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.09.013.

Shevchenko, A. A. (1999). Ispolzovaniye ELAELov v avtonomnykh energoustanovkakh, kharakterizuyushchikhsya neravnomernostyu energopostupleniya [Use of ELAELs in autonomous power plants characterized by uneven energy supply]. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya – Aerospace Engineering and Technology, no. 13, pp. 111–116 (in Russian).

Liguori, S., Kian, K., Buggy, N., Anzelmo, B. H., & Wilcox, J. (2020). Opportunities and Challenges of Low-Carbon Hydrogen via Metallic Membranes. Progress in Energy and Combustion Science, vol. 80, pp. 1–29. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2020.100851.

Solovey, V. V., Shevchenko, A. A., Vorobyeva, I. A., Semikin, V. M., & Koversun, S. A. (2008). Povysheniye effektivnosti protsessa generatsii vodoroda v elektrolizerakh s gazopogloshchayushchim elektrodom [Increasing the efficiency of the hydrogen generation process in electrolyzers with a gas-absorbing electrode]. Vestnik Kharkovskogo natsionalnogo avtomobolno-dorozhnogo universiteta – Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University, no. 43, pp. 69–72 (in Russian).

Solovey, V. V., Zipunnikov, N. N., & Shevchenko, A. A. (2015). Issledovaniye effektivnosti elektrodnykh materialov v elektroliznykh sistemakh s razdelnym tsiklom generatsii gazov [Research of the efficiency of electrode materials in electrolysis systems with a separate cycle of gas generation]. Problemy mashinostroyeniya – Journal of Mechanical Engineering, vol. 18, no. 1, pp. 72–76 (in Russian).

Solovey, V. V., Khiem, N. T., Zipunnikov, M. M., & Shevchenko, A. А. (2018). Improvement of the membrane-less electrolysis technology for hydrogen and oxygen generation. French-Ukrainian Journal of Chemistry, vol. 6, no. 2, pp. 73–79. https://doi.org/10.17721/fujcV6I2P73-79.

Yakimenko, L. M., Modylevskaya, I. D., & Tkachik, Z. A. (1970). Elektroliz vody [Water electrolysis]. Moscow: Khimiya, 264 p. (in Russian).

Carmo, M., Fritz, D. L., Mergel, J., & Stolten, D. (2013). A comprehensive review on PEM water electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, iss. 12, pp. 4901–4934. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.

Solovey, V. V., Shevchenko, A., Kotenko, A., & Makarov, O. (2013). The device for generation high-pressure hydrogen. Patent of Ukraine no. 103681 IPC С25В 1/12, С25В 1/03, no. a201115332; stated 26.12.2011; published 11.11.2013, Bulletin no. 21, 4 p.

Solovey, V. V., Zipunnikov, M. M., Shevchenko, A. A., Vorobjova, I. O., & Kotenko, A. L. (2018). Energy effective membrane-less technology for high pressure hydrogen electro-chemical generation. French-Ukrainian Journal of Chemistry, vol. 6, no. 1, pp. 151–156. https://doi.org/10.17721/fujcV6I1P151-156.

Tomilov, A. P. (1984). Prikladnaya elektrokhimiya [Applied electrochemistry]: A textbook. Moscow: Khimiya, 520 p. (in Russian).

Sukhotin, A. M. (1981). Spravochnik po elektrokhimii [Handbook of electrochemistry]. Leningrad: Khimiya, 488 p. (in Russian).

Yakimenko, L. M. (1977). Elektrodnyye materialy v prikladnoy elektrokhimii [Electrode materials in applied electrochemistry]. Moscow: Khimiya, 264 p. (in Russian).

Kumagai, M., Myung, S.-T., Kuwata, S., Asaishi, R., & Yashiro, H. (2008). Corrosion behavior of austenitic stainless steels as a function of pH for use as bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells. Electrochimica Acta, vol. 53, iss. 12, pp. 4205–4212. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.12.078" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.12.078.

Langemann, M., Fritz, D. L., Müller, M., & Stolten, D. (2015). Validation and characterization of suitable materials for bipolar plates in PEM water electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 40, iss. 35, pp. 11385–11391. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.04.155.

Tawfik, H., Hung, Y., & Mahajan, D. (2007). Metal bipolar plates for PEM fuel cell – a review. Journal of Power Sources, vol. 163, iss. 2, pp. 755–767. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.09.088" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.09.088.

Загрузки

Опубликован

2021-01-10

Выпуск

Том 23 № 4 (2020)

Раздел

Нетрадиционные энерготехнологии

Лицензия

Copyright (c) 2021 Andrii A. Shevchenko, Mykola M. Zipunnikov, Аnatolii L. Kotenko, Natalia A. Chorna

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NoDerivatives» («Атрибуция — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в этом  журнале, соглашаются со следующими условиями:

  • Авторы оставляют за собой право на авторство своей работы и передают журналу право первой публикации этой работы на условиях лицензионного  договора (соглашения).
  • Авторы имеют право заключать самостоятельно дополнительные договора (соглашения) о неэксклюзивном распространении работы в том виде, в котором она была опубликована этим журналом (например, размещать работу в электронном хранилище учреждения или публиковать в составе монографии), при условии сохранения ссылки на первую публикацию работы в этом журнале.
  • Политика журнала позволяет размещение авторами в сети Интернет (например, в хранилищах учреждения или на персональных веб-сайтах) рукописи работы, как до подачи этой рукописи в редакцию, так и во время ее редакционной обработки, поскольку это способствует возникновению продуктивной научной дискуссии и позитивно отражается на оперативности и динамике цитирования опубликованной работы (см. The Effect of Open Access).