Investigation of energy efficiency of hydrogen production in alkaline electrolysers

Ольга Валеріївна Лисенко; Валерій Леонідович Іконніков

doi:10.15587/2706-5448.2023.290309

Автор(и)

Ольга Валеріївна Лисенко Таврійський державний агротехнологічний університет ім. Дмитра Моторного, Україна https://orcid.org/0000-0001-7085-7796
Валерій Леонідович Іконніков Таврійський державний агротехнологічний університет ім. Дмитра Моторного, Україна https://orcid.org/0000-0001-6381-1925

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.290309

Ключові слова:

електроліз, електролізер, водень, екологічно чисте отримання енергії, відновлювальні джерела енергії, лужний електроліт

Анотація

Об’єктом дослідження є енергоефективність процесу електролізу в електролізерах з лужним електролітом електричними параметрами. Існуюча проблема полягає в отриманні енергоефективності процесу в електролізері з лужним електролітом більше 65 %.

Для вирішення цієї проблеми пропонується виготовити електролізер з металевими електродами, виготовленими з нержавіючої сталі та розділеними між собою газонепроникною мембраною (болоньова тканина) для розділення газів водню та кисню. Для встановлення характеристик енергоефективності виготовлена експериментальна установка, а також використано необхідне вимірювальне обладнання. У ході роботи розроблена методика проведення досліджень та проведений необхідний розрахунок виміряних величин. В результаті, виявлено вплив робочої напруги на споживання струму, що протікає через електроди електролізера та споживану ним потужність, значення яких збільшуються із збільшенням робочої напруги. Встановлено, що енергоефективність процесу в електролізерах з лужним електролітом зменшується із збільшенням робочої напруги. При робочій напрузі у 3 В, 4 В та 5 В, енергоефективність, відповідно, складає 85,7 %, 77 % та 70 %. Запропонована методика передбачає виконання експериментальних досліджень безпосередньо на діючому електролізері.

Практична реалізація використання газонепроникної мембрани (болоньова тканина) може допомогти знизити собівартість виготовлення електролізера. Тому представлене дослідження буде корисним для промислового виробництва водню.

Біографії авторів

Ольга Валеріївна Лисенко, Таврійський державний агротехнологічний університет ім. Дмитра Моторного

Доктор технічних наук, професор

Кафедра електроенергетики і електротехнологій

Валерій Леонідович Іконніков, Таврійський державний агротехнологічний університет ім. Дмитра Моторного

Аспірант

Кафедра електротехнологій і теплових процесів

Посилання

Lewis, N. S., Nocera, D. G. (2006). Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization. Proceedings of the National Academy of Sciences, 103 (43), 15729–15735. doi: https://doi.org/10.1073/pnas.0603395103
Dunikov, D. O. (2017). Vodorodnye energeticheskie tekhnologii. Materialy seminara laboratorii VET OIVT RAN. Moscow: OIVT RAN, 1, 190.
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, 45 (2), 1226–1235. doi: 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. et al. (2017). Design Principle and Loss Engineering for Photovoltaic–Electrolysis Cell System. ACS Omega, 2 (3), 1009–1018. doi: https://doi.org/10.1021/acsomega.7b00012
Kuznetcov, N. P., Lysenko, O. V., Chebanov, A. B. (2019). Electricity Consumption Model for Energy Systems of Ukraine at Various Levels of Locality. Problemele Energeticii Regionale, 3 (44), 31–42. doi: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562195
Gahleitner, G. (2013). Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications. International Journal of Hydrogen Energy, 38 (5), 2039–2061. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.12.010
Grätzel, M. (2001). Photoelectrochemical cells. Nature, 414 (6861), 338–344. doi: https://doi.org/10.1038/35104607
Cox, C. R., Lee, J. Z., Nocera, D. G., Buonassisi, T. (2014). Ten-percent solar-to-fuel conversion with nonprecious materials. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111 (39), 14057–14061. doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1414290111
Sytniuk, H. O., Nochnichenko, I. V., Kostiuk, D. V., Myronchuk, V. S. (2018). Elektroliz yak aktualnyi sposib otrymannia alternatyvnoho palyva vodniu. Prykladna heometriia, dyzain, ob’iekty intelektualnoi vlasnosti ta innovatsiina diialnist studentiv ta molodykh vchenykh. Kyiv, 115–119.
Yakymenko, L. M., Motilievska, I. D., Tkachek, Z. O. (1970). Elektroliz vody. Moscow: Vyd. Khimiia, 264.
Peharz, G., Dimroth, F., Wittstadt, U. (2007). Solar hydrogen production by water splitting with a conversion efficiency of 18 %. International Journal of Hydrogen Energy, 32 (15), 3248–3252. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.04.036
Shevchenko, A. A., Zipunnikov, M. M., Kotenko, А. L., Chorna, N. A. (2020). Investigation of the Electrolysis Process of Obtaining Hydrogen and Oxygen with Serial and Parallel Connection of Electrons. Journal of Mechanical Engineering, 23 (4), 63–71. doi: https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.063
Nocera, D. G. (2012). The Artificial Leaf. Accounts of Chemical Research, 45 (5), 767–776. doi: https://doi.org/10.1021/ar2003013
Felgenhauer, M., Hamacher, T. (2015). State-of-the-art of commercial electrolyzers and on-site hydrogen generation for logistic vehicles in South Carolina. International Journal of Hydrogen Energy, 40 (5), 2084–2090. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.12.043
Krivtcova, V. I., Levterov, A. A., Grushko, A. I. (2006). Analiz pozharovzryvobezopasnosti sistem khraneniia i podachi vodoroda na osnove reaktcii samorasprostraniaiushchegosia vysokotemperaturnogo sinteza intermetallidov. Problemi nadzvichainikh situatcіi, 3, 145–151.
Vasylkovskyi, O. M., Leshchenko, S. M., Vasylkovska, K. V., Petrenko, D. I. (2016). Pidruchnyk doslidnyka. Kirovohrad, 204.