Дослідження електролізного процесу отримання водню і кисню при послідовному і паралельному підключенні електродів

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.063
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 23, № 4, 2020 (грудень)
Сторінки 63–71

 

Автори

А. А. Шевченко, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: shevchenko84@ukr.net, ORCID: 0000-0002-6009-2387

М. М. Зіпунніков, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), ORCID: 0000-0002-0579-2962

А. Л. Котенко, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), ORCID: 0000-0003-2715-634X

Н. А. Чорна, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), ORCID: 0000-0002-9161-0298

 

Анотація

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.

 

Ключові слова: електролізер, послідовне і паралельне з’єднання електродів, водень, кисень, високий тиск.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  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.

 

Надійшла до редакції 09 листопада 2020 р.