Дослідження електролізного процесу отримання водню і кисню при послідовному і паралельному підключенні електродів
Ключові слова:
електролізер, послідовне і паралельне з'єднання електродів, водень, кисень, високий тискАнотація
В статті наведено теоретичні та експериментальні дослідження процесу електрохімічного утворення водню і кисню при паралельному та послідовному підключенні електродів в одному електролітному об’ємі. Це дослідження ґрунтується на законах збереження маси, термодинаміки, електротехніки, електрохімії з використанням даних, отриманих на основі методів математичного та фізичного моделювання. Наведено дані з розробки та дослідження двох конструкцій електродних пакетів, а саме, з паралельним і послідовним з’єднанням електродів, з подальшим розміщенням кожного пакету в одному електролітному об’ємі. Експериментальні та розрахункові дані дозволили виявити закономірності протікання електрохімічної реакції розкладання рідкого електроліту на водень і кисень, розподілу напруги при паралельному та послідовному підключенні електродів в одному електролітному об’ємі. Також було встановлено зміну електричного потенціалу між внутрішніми електродами. Замір напруги проводився від електроду 1 до електроду 4. Результати експериментальних досліджень були відображені графічно. З наведених графіків видно, що напруга на клемах внутрішніх електродів нижче, ніж необхідно для протікання електрохімічної реакції розкладання рідкого електроліту з генеруванням газоподібного водню і кисню. Для реалізації концепції розміщення послідовного (біполярного) з’єднання електродів в одному електролітному об’ємі необхідно акцентувати увагу на розробці конструкції електролізера, який дозволить: роз’єднати електроди електрично і забезпечити гальванічну ізоляцію їх між собою (окремо ізольовані електролітні об’єми для кожної електродної пари). Це дасть змогу підвищити робочий тиск згенерованих водню і кисню до 20,0 МПа та знизити струмове навантаження електролізного процесу під час використання альтернативних джерел енергії.Посилання
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.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Andrii A. Shevchenko, Mykola M. Zipunnikov, Аnatolii L. Kotenko, Natalia A. Chorna
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи і передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензійного договору (угоди).
- Автори мають право самостійно укладати додаткові договори (угоди) з неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати в складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установи або на персональних веб-сайтах) рукопису роботи як до подачі цього рукопису в редакцію, так і під час її редакційної обробки, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії і позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
