Науковий вісник НГУ

Удосконалення безмембранного електролізного процесу отримання водню й кисню

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №1 2021

Останнє оновлення: 10 березня 2021

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 1575

Authors:

А. В. Русанов, orcid.org/0000-0002-9957-8974, Інститут проблем машинобудування імені А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, Україна. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

В. В. Соловей, orcid.org/0000-0002-5444-8922, Інститут проблем машинобудування імені А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, Україна. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

M. М. Зіпунніков, orcid.org/0000-0002-0579-2962, Інститут проблем машинобудування імені А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, Україна. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

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

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

Abstract:

Відновлювані джерела енергії забезпечують нестабільний потік енергії до установок автономного енергетичного комплексу. Тому, щоб використовувати електролізер в якості елемента комплексу, що розглядається, необхідно визначити оптимальний діапазон зміни густини струму та оцінити вплив робочих характеристик процесу електролізу на виділення газу Н₂ (О₂), коли електроживлення електролізера вимкнено на 1–3 секунди на тлі безперервного базового рівня струму.

Мета. Основною метою досліджень є визначення раціонального діапазону зміни густини струму, що подається на монополярний безмембранний електролізер високого тиску, а також визначення впливу дискретної подачі струму при електролізі на електрохімічні реакції.

Методика. Комплексні дослідження електрохімічних процесів розкладання води в лужному електроліті з утворенням водню та кисню в експериментальній установці, що дозволяє циклічно подавати електричне живлення на електролізер з візуальним контролем зазначених процесів.

Результати. Розглянута технологія циклічного генерування водню й кисню, що виключає необхідність використання розділових іонообмінних мембран. Встановлено раціональний діапазон зміни щільності струму на безмембранному монополярному електролізері високого тиску з використанням електродів, виготовлених із металів зі змінною валентністю. Визначено вплив дискретної подачі електричної енергії на електролізну комірку в залежності від електрохімічних реакцій, що протікають на активному залізному електроді. Розраховані теоретичні значення напруги протікання реакцій окислювання й відновлення активної маси залізного електрода, а також напруга на напівциклі виділення водню у процесі електролізу води.

Наукова новизна. Збільшення періоду відключення живлення з 1 до 3 с призводить до відповідного збільшення часу процесу окислення на напівциклі виділення водню у 2,4 рази. Але загальна кількість водню (кисню), що виділяється на відповідних напівциклах, залишається незмінною і становить (мл).

Практична значимість. Оптимальний діапазон щільності струму для роботи безмембранного електролізера високого тиску знаходиться в межах 200–400 А/м². За таких умов відбувається найактивніший окислювально-відновлювальний процес активної маси залізного електрода. Споживання електроенергії в цьому випадку знаходиться в межах 3,9–4,1 кВт  год/м³. За цих умов споживання енергії стандартними мембранними електролізерами (у залежності від температури та тиску процесу, якості електродів і ряду інших факторів) варіюється від 4,3 до 5,2 кВт  год/м³ водню. Проведено експериментальне вивчення впливу дискретного живлення електролізера на його здатність до газоутворення. Це дає можливість поставляти електричну енергію на електролізну комірку безпосередньо від первинного джерела енергії (сонце, вітер) у складі енерготехнологічного комплексу.

Ключові слова: електролізер, водень, кисень, електрохімічна реакція, струм, електрод

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.

• < Попередня
• Наступна >