Усовершенствование безмембранного электролизного процесса получения водорода и кислорода

Рейтинг:   / 0
ПлохоОтлично 

Authors:


А. В. Русанов, orcid.org/0000-0002-9957-8974, Институт проблем машиностроения имени А. М. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, Украина. e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

В. В. Соловей, orcid.org/0000-0002-5444-8922, Институт проблем машиностроения имени А. М. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, Украина. e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Н. Н. Зипунников, orcid.org/0000-0002-0579-2962, Институт проблем машиностроения имени А. М. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, Украина. e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.


повний текст / full article



Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2021, (1): 117 - 122

https://doi.org/10.33271/nvngu/2021-1/117



Abstract:


Возобновляемые источники энергии обеспечивают нестабильной поток энергии к установкам автономного энергетического комплекса. Поэтому, чтобы использовать электролизер в качестве элемента рассматриваемого комплекса, необходимо определить оптимальный диапазон изменения плотности тока и оценить влияние рабочих характеристик процесса электролиза на выделение Н22), когда электропитание электролизера отключено на 1–3 секунды на фоне непрерывного базового уровня тока.


Цель.
Основной целью исследований является определение рационального диапазона изменения плотности тока, подаваемого на монополярный безмембранный электролизер высокого давления, а также определение влияния дискретной подачи тока при электролизе на электрохимические реакции.


Методика.
Комплексные исследования электрохимических процессов разложения воды в щелочном электролите с образованием водорода и кислорода в экспериментальной установке позволяют циклически подавать электропитание на электролизер с визуальным контролем рассматриваемых процессов.


Результаты.
Рассмотрена технология циклического генерирования водорода и кислорода, что исключает необходимость использования разделительных ионообменных мембран. Установлен рациональный диапазон изменения плотности тока на безмембранном монополярном электролизере высокого давления с использованием электродов, изготовленных из металлов с переменной валентностью. Определено влияние дискретной подачи электрической энергии на электролизную ячейку в зависимости от электрохимических реакций, протекающих на активном железном электроде. Рассчитаны теоретические значения напряжения протекания реакций окисления и восстановления активной массы железного электрода, а также напряжение на полуцикле выделения водорода в процессе электролиза воды.


Научная новизна.
Увеличение времени обесточивания от 1 до 3 с приводит к соответствующему росту времени окислительного процесса на водородном полуцикле в 2,4 раза. При этом общее количество водорода (кислорода), выделившегося на соответствующих полуциклах, остается неизменным и составляет мл ( мл).


Практическая значимость. Оптимальный диапазон плотности тока для работы безмембранного электролизера высокого давления находится в пределах 200–400 А/м
2. При таких условиях происходит интенсивный окислительно-восстановительный процесс активной массы железного электрода. Потребление электроэнергии в этом случае находится в пределах 3,9–4,1 кВт ч/м3. При этом потребление энергии стандартными мембранными электролизерми (в зависимости от температуры и давления процесса, качества электродов и ряда других факторов) варьируется от 4,3 до 5,2 кВт  ч/м3 водорода Проведено экспериментальное изучение влияния дискретного питания электролизера на его способность к газообразованию. Это дает возможность поставлять электрическую энергию на электролизную ячейку непосредственно от первичного источника энергии (солнце, ветер) в составе энерготехнологического комплекса.


Ключевые слова:
электролизер, водород, кислород, электрохимическая реакция, ток, электрод

References.


1. Paidar, M., Fateev, V., & Bouzek, K. (2016). Membrane electrolysis – history, current status and perspective. Electrochimica Acta, 209, 737-756. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.05.209.

2. Esposito, Daniel V. (2017). Membraneless Electrolyzers for Low-Cost Hydrogen Production in a Renewable Energy Future. International Journal of Hydrogen Energy, 1(4), 651-658. https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.11.013.

3. Dawood, F., Anda, M., & Shafiullah, G. M. (2020). Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 45, 3847-3869. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.12.059.

4. Julie C. Fornaciari, Michael R. Gerhardt, Jie Zhou, Yagya N. Regmi, Nemanja Danilovic, Alexis T. Bell, & Adam Z. Weber (2020). The Role of Water in Vapor-fed Proton-Exchange-Membrane Electrolysis. Journal of The Electrochemical Society, 167(10), 104508. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab9b09.

5. O’Neil, G. D., Christian, C. D., Brown, D. E., & Esposito, D. V. (2016). Hydrogen production with a simple and scalable membraneless electrolyzer. Journal of the Electrochemical Society, 163, F3012-F3019.

6. Amikam, G., Nativ, P., & Gendel, Y. (2018). Chlorine-free alkaline seawater electrolysis for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 43, 6504-6514. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.082.

7. Kies, A., Schyska, B. U., & Bremen Von, L. (2016). Curtailment in a highly renewable power system and its effect on capacity factors. Energies, 9, 1-18. https://doi.org/10.3390/en9070510.

8. Grigoriev, S. A., Fateev, V. N., Bessarabov, D. G., & Millet, P. (2020). Current status, research trends, and challenges in water electrolysis science and technology. International Journal of Hydrogen Energy, 45(49), 26036-26058. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.109.

9. Phillips, R., & Dunnill, C. (2016). Zero gap alkaline electrolysis cell design for renewable energy storage as hydrogen gas. RSC Advances, 6(102), 100643-100651. https://doi.org/10.1039/C6RA22242K.

10. Xiang, C., Papadantonakis, K. M., & Lewis, N. S. (2016). Principles and implementations of electrolysis systems for water splitting. Materials Horizons, 3, 169-173. https://doi.org/10.1039/C6MH00016A.

11. Aminov, R. Z., Bairamov, A. N., & Garievskii, M. V. (2019). Assessment of the Performance of a Nuclear–Hydrogen Power Generation System. Thermal Engineering, 66(3), 196-209. https://doi.org/10.1134/S0040601519030017.

12. Aminov, R. Z., Shkret, A. F., & Garievskii, M. V. (2016). Estimation of lifespan and economy parameters of steam-turbine power units in thermal power plants using varying regimes. Thermal Engineering, 63, 551-557. https://doi. org/10.1134/S0040601516080012.

13. Rakousky, C., Reimer, U., Wippermann, K., Kuhri, S., Carmo, M., Lueke, W., & Stolten, D. (2017). Polymer electrolyte membrane water electrolysis: Restraining degradation in the presence of fluctuating power. Journal of Power Sources, 342, 38-47.

14. 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, 45(29), 14614-14624. https://doi. org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.187.

15. Phillips, R., Edwards, A., Rome B., Jones, D. R., & Dunnill, C. W. (2017). Minimising the ohmic resistance of an alkaline electrolysis cell through effective cell design. International Journal of Hydrogen Energy, 42, 23986-23994.

16. Zipunnikov, M. M. (2019). Formation of potassium ferrate in a membrane-less electrolysis process of water decomposition. Issues of Chemistry and Chemical Technology, 1, 42-47. https://doi.org/10.32434/0321-4095-2019-126-5-42-47.

17. Shevchenko, A. (2020). Creation of autonomous and network energy-technological complexes with a hydrogen storage of energy. Vidnovliuvana Energetika, 61(2), 18-27. https://doi. org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).18-27.

18. Solovey, V. V., Khiem, N. T., Zipunnikov, M. M., & Shev­chen­ko, A. (2018). Improvement to the Membrane-less Electrolysis Technology for Hydrogen and Oxygen Generation. French-Ukrainian Journal of Chemistry, 6(2), 73-79. https://doi.org/10.17721/fujcV6I2P73-79.

19. Rusanov, A., Rusanov, R., & Lampart, P. (2015). Designing and updating the flow part of axial and radial-axial turbines through mathematical modelling. Open Engineering (formerly Central European Journal of Engineering), 5, 399-410. https://doi.org/10.1515/eng-2015-0047.

20. Rusanov, A. V., Solovey, V. V., & Lototskyy, M. V. (2020). Thermodynamic features of metal hydride thermal sorption compressors and perspectives of their application in hydrogen liquefaction systems. Journal of Physics: Energy, 2(2), 10. https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab7bf4.

 

Следующие статьи из текущего раздела:

Предыдущие статьи из текущего раздела:

Посетители

3417545
Сегодня
За месяц
Всего
11
37151
3417545

Гостевая книга

Если у вас есть вопросы, пожелания или предложения, вы можете написать их в нашей «Гостевой книге»

Регистрационные данные

ISSN (print) 2071-2227,
ISSN (online) 2223-2362.
Журнал зарегистрирован в Министерстве юстиции Украины.
 Регистрационный номер КВ № 17742-6592ПР от 27.04.2011.

Контакты

40005, г. Днепр, пр. Д. Яворницкого, 19, корп. 3, к. 24 а
Тел.: +38 (056) 746 32 79.
e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Вы здесь: Главная Главная RusCat Архив журнала 2021 Содержание №1 2021 Усовершенствование безмембранного электролизного процесса получения водорода и кислорода