Статті

Удосконалення безмембранного електролізного процесу отримання водню й кисню

Рейтинг користувача:  / 0
ГіршийКращий 

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 Н22), 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.

 

Наступні статті з поточного розділу:

Попередні статті з поточного розділу:

Відвідувачі

3369732
Сьогодні
За місяць
Всього
114
6384
3369732

Гостьова книга

Якщо у вас є питання, побажання або пропозиції, ви можете написати їх у нашій «Гостьовій книзі»

Реєстраційні дані

ISSN (print) 2071-2227,
ISSN (online) 2223-2362.
Журнал зареєстровано у Міністерстві юстиції України.
Реєстраційний номер КВ № 17742-6592ПР від 27.04.2011.

Контакти

49005, м. Дніпро, пр. Д. Яворницького, 19, корп. 3, к. 24 а
Тел.: +38 (056) 746 32 79.
e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
Ви тут: Головна