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

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.063
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 23, № 4, 2020 (декабрь)
Страницы 63–71

 

Авторы

А. А. Шевченко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: shevchenko84@ukr.net, ORCID: 0000-0002-6009-2387

Н. Н. Зипунников, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), ORCID: 0000-0002-0579-2962

А. Л. Котенко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), ORCID: 0000-0003-2715-634X

Н. А. Черная, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), ORCID: 0000-0002-9161-0298

 

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.

 

Ключевые слова: электролизер, последовательное и параллельное соединение электродов, водород, кислород, высокое давление.

 

Литература

  1. 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. The hydrogen context and vulnerabilities in the central and Eastern European countries. Intern. J. Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Iss. 35. P. 19036–19054. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.128.
  2. Esposito D. V. Membraneless electrolyzers for low-cost hydrogen production in a renewable energy future. Joule. 2017. Vol. 1. Iss. 4. P. 651–658. https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.07.003.
  3. Reuß M., Reul J., Grube T., Langemann M., Calnan S., Robinius M., Schlatmann R., Rau U., Stolten D. Solar hydrogen production: a bottom-up analysis of different photovoltaic–electrolysis pathways. Sustainable Energy Fuels. 2019. Iss. 3. P. 801–813. https://doi.org/10.1039/C9SE00007K .
  4. Wirkert F. J., Roth J., Jagalski S., Neuhaus P., Rost U., Brodmann M. A modular design approach for PEM electrolyser systems with homogeneous operation conditions and highly efficient heat management. Intern. J. Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45. Iss. 2. P. 1226–1235. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.185.
  5. 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. Design principle and loss engineering for photovoltaic–electrolysis cell system. ACS Omega. 2017. Vol. 2. Iss. 3. P. 1009–1018. https://doi.org/10.1021/acsomega.7b00012.
  6. Smolinka T. Fuels – Hydrogen Production. Water Electrolysis. Encyclopedia Electrochemical Power Sources. 2009. P. 394–413. https://doi.org/10.1016/B978-044452745-5.00315-4.
  7. Phillips R., Dunnill Ch. W. Zero gap alkaline electrolysis cell design for renewable energy storage as hydrogen gas. RSC Advances. 2016. Vol. 6. Iss. 102. P. 100643–100651. https://doi.org/10.1039/C6RA22242K.
  8. Kaya M. F., Demir N., Rees N. V., El-Kharouf A. Improving PEM water electrolyser’s performance by magnetic field application. Appl. Energy. 2020. Vol. 264. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114721.
  9. Shevchenko A. A., Zipunnikov M. M., Kotenko А. L., Vorobiova I. O., Semykin V. M. Study of the influence of operating conditions on high pressure electrolyzer efficiency. J. Mech. Eng. 2019. Vol. 22. No. 4. P. 53–60. https://doi.org/10.15407/pmach2019.04.053.
  10. 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. Operando flow regime diagnosis using acoustic emission in a polymer electrolyte membrane water electrolyser. J. Power Sources. 2019. Vol. 424. P. 138–149. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.03.061.
  11. Matsevytyi Yu. M., Chorna N. A., Shevchenko A. A. Development of a perspective metal hydride energy accumulation system based on fuel cells for wind energetics. J. Mech. Eng. 2019. Vol. 22. No. 4. P. 48–52. https://doi.org/10.15407/pmach2019.04.048.
  12. Шевченко А. A. Создание автономных и сетевых энерготехнологических комплексов с водородным накопителем энергии. Возобновляемая энергетика. 2020. № 2 (61). С. 18–27. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).18-27.
  13. Шевченко А. А., Козак Л. Р., Зипунников Н. Н., Котенко A. Л. Разработка автономных энерготехнологических комплексов с водородным накопителем энергии. Косм. техника. Ракет. вооружение. 2020. № 1. С. 160–169. https://doi.org/10.33136/stma2020.01.160.
  14. Aminov R. Z., Bairamov A. N., Garievskii M. V. Estimating the system efficiency of the multifunctional hydrogen complex at nuclear power plants. Intern. J. Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45. Iss. 29. P. 14614–14624. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.187.
  15. Морозов Ю. П. Влияние теплопритока горного массива на температурный режим геотермальной циркуляционной системы. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2018. № 25–30. С. 44–50. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.25-30.044-050.
  16. Sanath Y., De Silva K., Middleton P. H., Kolhe M. Performance analysis of single cell alkaline electrolyser using mathematical model. IOP Conf. Ser.: Materials Sci. and Eng. 2019. Vol. 605. P. 1–13. https://doi.org/10.1088/1757-899X/605/1/012002.
  17. Davis J. T., Qi J., Fan X., Bui J. C., Esposito D. V. Floating membraneless PV-electrolyzer based on buoyancy-driven product separation. Intern. J. Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43. Iss. 3. P. 1224–1238. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.086.
  18. Соловей В. В., Жиров А. С., Шевченко А. А. Влияние режимных факторов на эффективность электролизера высокого давления. Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: сб. науч. тр. 2003. С. 250–254.
  19. Nikolic V. M., Tasic G. S., Maksic A. D., Saponjic D. P., Miulovic S. M., Marceta Kaninski M. P. Raising efficiency of hydrogen generation from alkaline water electrolysis–Energy saving. Intern. J. Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. Iss. 22. P. 12369–12373. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.08.069.
  20. Schalenbach M., Carmo M., Fritz D. L., Mergel J., Stolten D. Pressurized PEM water electrolysis: Efficiency and gas crossover. Intern. J. Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38. Iss. 35. P. 14921–14933. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.09.013.
  21. Шевченко А. А. Использование ЭЛАЭЛов в автономных энергоустановках, характеризующихся неравномерностью энергопоступления. Авиац.-косм. техника и технология. 1999. № 13. С. 111–116.
  22. Liguori S., Kian K., Buggy N., Anzelmo B. H., Wilcox J. Opportunities and Challenges of Low-Carbon Hydrogen via Metallic Membranes. Progress in Energy and Combustion Sci. 2020. Vol. 80. P. 1–29. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2020.100851.
  23. Соловей В. В., Шевченко А. А., Воробьева И. А., Семикин В. М., Коверсун С. А. Повышение эффективности процесса генерации водорода в электролизерах с газопоглощающим электродом. Вестн. Харьков. нац. автомоб.-дор. ун-та. 2008. № 43. С. 69–72.
  24. Соловей В. В., Зипунников Н. Н., Шевченко А. А. Исследование эффективности электродных материалов в электролизных системах с раздельным циклом генерации газов. Пробл. машиностроения. 2015. Т. 18. № 1. С. 72–76.
  25. Solovey V. V., Khiem N. T., Zipunnikov M. M., Shevchenko A. А. Improvement of the membrane-less electrolysis technology for hydrogen and oxygen generation. French-Ukrainian J. Chemistry. 2018. Vol. 6. No. 2. P. 73–79. https://doi.org/10.17721/fujcV6I2P73-79.
  26. Якименко Л. М., Модылевская И. Д., Ткачик З. А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970. 264 с.
  27. Carmo M., Fritz D. L., Mergel J., Stolten D. A comprehensive review on PEM water electrolysis. Intern. J. Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38. Iss. 12. P. 4901–4934. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
  28. Пристрій для генерації водню високого тиску: пат. 103681 Україна: МПК С25В 1/12, С25В 1/03. № а201115332; заявл. 26.12.2011; опубл. 11.11.2013, Бюл. № 21. 4 с.
  29. Solovey V. V., Zipunnikov M. M., Shevchenko A. А., Vorobjova I. О., Kotenko А. L. Energy effective membrane-less technology for high pressure hydrogen electro-chemical generation French-Ukrainian J. Chemistry. 2018. Vol. 6. No. 1. P. 151–156. https://doi.org/10.17721/fujcV6I1P151-156.
  30. Томилов А. П. Прикладная электрохимия: учебник. М.: Химия, 1984. 520 с.
  31. Сухотин А. М. Справочник по электрохимии. Л.: Химия, 1981. 488 с.
  32. Якименко Л. М. Электродные материалы в прикладной электрохимии. М.: Химия, 1977. 264 с.
  33. Kumagai M., Myung S.-T., Kuwata S., Asaishi R., Yashiro H. Corrosion behavior of austenitic stainless steels as a function of pH for use as bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells. Electrochimica Acta. 2008. Vol. 53. No. 12. P. 4205–4212. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.12.078.
  34. Langemann M., Fritz D. L., Müller M., Stolten D. Validation and characterization of suitable materials for bipolar plates in PEM water electrolysis. Intern. J. Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40. No. 35. P. 11385–11391. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.04.155.
  35. Tawfik H., Hung Y., Mahajan D. Metal bipolar plates for PEM fuel cell – a review. J. Power Sources. 2007. Vol. 163. No. 2. P. 755–767. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.09.088.

 

Поступила в редакцию 09 ноября 2020 г.