Multiphysical模型制氢用氢氧化钠和不锈钢电极在碱性电解单元

文摘

电池电压在碱性电解水细胞仍然很高尽管电解水是一个更干净、更简单的制氢方法。multiphysical模型单细胞电解槽的槽电压实现了基于电流电压的组合模型,模拟电解槽的间歇运行(SIMELINT),现有的实验数据和实验数据进行的这项工作。设备采用氢氧化钠作为支持电解质和不锈钢作为电极。不同的电解液浓度,电极间的差距,和电解液类型和细胞电压记录。60 wt %氢氧化钠的浓度产生最低的电池电压范围(1.15 - -2.67 V);0.5厘米的电极间的差距提出了最低的电池电压(1.14 - -2.71 V)。空调导致的蒸馏水最低电压(1.18 - -2.78 V)。提出的水从工厂最高流量(12.48×10⁻¹厘米³/分钟)。发现碱性电解槽槽电压的降低大大减少电极间的差距0.5厘米,使用电解质,产生更少的泡沫。发现1.5%的最大误差之间的数学模型和实验模型,表明该模型是可靠的。

1。介绍

连续使用化石燃料和生物燃料由于高能源需求造成污染的问题,原料,和质量的挑战1- - - - - -3]。氢的生产和应用仍然是昂贵的,这项技术还为时过早4,5]。此外,它是一个高能源消耗的技术。事实上,2393啊需要生产1海里³氢的6]。交通行业仍然遇到的问题空间为坦克和蓄电池和负载FCEVs [7),因此需要当场产生消费,给予信贷的持续研究碱性电解水(AWE)。

燃烧化石燃料的过度使用导致严重的空气污染,全球变暖,酸雨,在平流层臭氧损耗(8- - - - - -10]。寻找可能的替代能源是必须的。可用的主要能源来源有很多,比如热能源、太阳能、风能、水力发电和地热能。不幸的是,他们不能像化石燃料直接使用。在大多数情况下,他们需要转化成燃料导致寻找新的能量载体(11]。氢燃料电池的两到三倍的效率比内燃机(12]。他们正变得越来越普及,将会减少对化石燃料的依赖。在一个燃料电池,氢和氧结合的电化学反应产生电力和副产品:水。氢燃料电池的生产应用程序需要的性能改进。尽管相当大的成就意识到目前为止聚合物电解质膜燃料电池领域的一个重大问题尚未回答;即。,what combination of performance criteria brings the greatest benefits? [13,14]。

目前,能源的供应和使用化石燃料是不可持续的经济,环境和社会。如果不采取果断行动,能源相关的二氧化碳排放(有限公司₂)将在2050年的两倍多6,12,15)和化石能源需求增加将加剧的担忧供应安全(3]。当前路径可以而且必须改变(12]。这要求一个能源革命和低碳能源技术发挥着至关重要的作用(16]。氢技术已经商用(17]。的技术之一是热催化和气化过程使用天然气作为原料,石脑油、重油和接下来的最大来源,其次是煤炭。大约一半的氢气通过这些技术(1,2,8),这是可再生和清洁。它们包括碳捕获和储存,导致他们降低效率。自热过程受到高能源需求和高启动时间(18]。生物生产廉价的和有利于废物管理,但在某些情况下使用昂贵的原材料。此外,低利率和氢的产量形成是实现和技术在实验室在实验水平。碱性电解槽目前最成熟的技术,和投资成本远远低于其他人12,19- - - - - -22]。电解水制取氢气的很低(< 4%)23]。然而,电解水清洁少量氢气产量。出乎意料地,在一个更大的规模,生产氢是昂贵的。最近的研究采用压水电解氢生产改善,其他人使用等离子技术,今天自然氢源确实存在。压水电解提供了高速率的气体交换(24]。与等离子体技术,更在低浓度的NH产生氢气₃但在高温下,增加能量消耗,多余的烹饪和烟尘17]。关于自然的氢,所知甚少的一代,迁移,消费,和潜在的积累5,25]。

电解槽模型通常制定与法拉第定律(4,26]。实证模型描述电解过程由Ulleberg [27和修改拥抱et al。28)被广泛用于评估细胞的特征表现。用不同的材料制作的电极以及不同的电解质浓度,不同的膜材料,不同类型的电解质,和各种细胞几何和物理化学参数(29日]。模型开发了从第一原理与理论考虑了拉普拉斯的理论的基础上,牛顿和狄利克雷表达最重要的参数影响单极或双极型电化学反应器的操作(电位分布)30.,31日]。算法能够帮助设计师开发更高效的电化学反应器是派生使电位分布的计算30.]。Slama [32]·拉希德和Elmaihy [33)发现,有一个显著增加氢的生产流程通过使用添加剂如氯化钠、KOH和氢氧化钠。KOH氢氧化钠(相比具有较高的离子电导率34]。KOH高度腐蚀性,限制类型的材料用于敬畏。镍是相对便宜和更少的腐蚀性,因此它适用于与KOH (34- - - - - -36]。Tijani et al。4)和马丁内斯萨莫拉(37),使用MATLAB模拟电池电压的数学模型与有限的事实相比,迪亚兹的模型38使用MATLAB / Simulink仿真。模型Tijani et al。4)没有考虑压力的影响,浓度,泡沫,和体积真空的模型被认为是卡米洛·[38]。基线实验使用铂电极和KOH作为电解液添加剂进行了表明电极间的差距,电解液浓度、电解液类型是最重要的参数影响电池性能39]。

本文的思想含油率(39),Tijani et al。4],迪亚兹(38)已经与multiphysical模型结合出来使用氢氧化钠作为支持电解质代替KOH和不锈钢电极代替贵金属铂。为了减少能源消耗每海里³氢的生产和提高流量,以生产成本有效的氢,细胞表现为不同层次的三个独立变量被尝试。上述变量包括(i)电解液浓度,(2)电解液类型和(iii)电极间的差距。调查在不同电解液类型的流量是通过记录时间1000 ppm和计算氢流量。这些都是通过执行实验,执行在MATLAB,,结合现有的模型和现有的参数在文献中,multiphysical模型建立了电解槽的槽电压。本文旨在探讨电极间的差距,电解液浓度、电解液的类型会影响氢气的生产过程。

2。材料和方法

独立表演的温度由于添加氢氧化钠被认为是常数,我们测量了每一次气温约80°C。实验是这样设计的每个实验被认为是一个独立变量,每次三个层次,基线实验结果进行了对比。自设计视为一独立变量实验,每级10试验完成,意味着计算。

2.1。现有的模型

极化曲线的生产过程。现有的电流电压(电流-电压)模型用于模拟制定Tijani et al。4]和Ulleberg [27]: 在哪里是电池电压,是可逆的电压,是欧姆电压,是激活电压。 在哪里T电池的温度,一个电极的面积,和是欧姆过电压参数。 在哪里t₁,t₂,t₃,年代是激活过电压参数。

可逆电压是必须的最低电压适用于两电极使电化学反应。它是一个常量值约为1.229 V从吉布斯获得关系(4]: 在哪里吉布斯能量,Z是电子的数量,和F法拉第常数。

欧姆的过电压由于电化学阻力是由于电解液的泡沫的存在,离子电解液的电阻率,电极间的差距,膜(隔膜)电阻率、电解质浓度、温度效应、类型的电解质,等现象。激活电压是由于电阻的电极材料类型、电极尺寸、电极形状、电极操作温度和其他方面相关的电极。和依赖于温度,并考虑到欧姆电阻参数,r, s和t过电压系数,所显示Ulleberg [27]。

上面的模型中使用的数据表所示1;常数参数用于模拟计算。

拥抱et al。28)开发了一个模型来分析电解槽的性能,这表示电池电压如下: 在哪里是理论电压,是欧姆损失,是激活过电压。迪亚兹(38KOH)用作电解质并推出了以下模型: 在哪里是理论电压和一个常数(−1.229 V);和在阴极和阳极塔费尔的系数,分别;和在阴极和阳极的有效电流密度,分别;和在阴极和阳极的交换电流密度,分别;是总阻力;是电解槽的电流;阴极的阻力;的电阻阳极;薄膜的电阻;和电解液的电阻与泡沫被认为是(34]。

的基础上的高灵敏度气体探测器用于这项工作、氢气探测器是用来确定流量,通过设置探测器和记录的时间达到1000 ppm,这时间是用来计算流量。从下面的物理关系,氢的浓度转换为体积分数由从未[40],Godish [41),科恩和泰勒(42]。 在哪里是标准的理想气体的摩尔体积(22.71108 L /摩尔),米气体的摩尔量。

当前或法拉第效率是一个重要的工具来确定具体的电解槽的能源消耗,特别是在部分负荷(28]。从下面的关系,建立了Tijani et al。4),拉希德et al。21),Schalenbach et al。24],Chisholm,克罗宁(43]: 在哪里电流效率,是电池效率,电压效率。

2.2。实验装置

各种仪器被用于实验(图1)。图带来更深刻的功能细胞(图2)。

2.2.1。成分的实验装置

基线实验电解槽由200毫升40 w %氢氧化钠电解液(氢氧化钠)。每个电极由一个长10厘米,4毫米直径直不锈钢杆,3厘米长度淹没在氢氧化钠溶液。电极相隔保持1厘米的基线。电极连接到直流电源(模型ps - 305 d)由广州Xinyue电子科技有限公司,有限公司,广州,中国(表2)。电解液的电极的有效面积计算约为0.38957厘米²。

在测试期间,数字温度计用于监测电解质的温度。生产的氢气探测器(S311) Zhongan电子检测技术有限公司有限公司,郑州,中国(表3)是用于检测在实验和氢的存在也允许流量的计算。

探测器设置在阴极的出口记录的时间参加1000 ppm。这些信息被用来计算不同液体的流量使用。

电池性能的测量仪是由三个万用表和一个12伏的灯泡为代表R连接,使我们能够阅读电源电压,电池电流,电池电压的电路。

2.2.2。电解液成分的特征

电解质使用来自工业废水(水从一个空调系统,废水从服装制造工厂,从衣服洗衣机和废水)。理化分析的样品做了HYDRAC实验室使用标准ISO 7888和NF t90 - 008(表4)。

3所示。理论/计算

3.1。Multiphysical造型

该模型认为影响电池性能的主要方面包括以下:(我)氢气气泡周围的电极(2)离子电解液的电阻率(3)氧气泡(iv)电极间的差距(v)膜(隔膜)的电阻率(vi)电极电阻(七)电解液浓度

模型方程(6)由Diaz制定38)是修改考虑电池电压的对数行为和测试与实验参数的KOH和氢氧化钠,构成multiphysical基地发展的模型。事实上,方程(6)是一个直线方程绘制不能遵循对数律法。修改和更现实的方程如下: 在哪里是可逆的过电压和是一个常数(1.229)。

广义模型细胞碱性电解槽的性能的基础上实现了发布模型和观测从当前的实验。

因此, 在哪里氢氧化钠的阻力和吗气体空隙率是由于泡沫的存在一个解决方案(气体空隙率或泡沫系数)。 在哪里是氢氧化钠的导电性,阳极和膜之间的距离,阴极和膜之间的距离,然后呢一个电极的面积。

l(V)是一个常数取决于参数考虑(分离距离、电解质浓度和电解液类型的值);这是一个负电压由于氢离子间的反应和电极(44]。K是一个校正系数,所得数值试验。从表中获得的其他参数。

3.2。常数参数用于实现模型

他们从之前的作品获得的物理化学参数的三个参数(表调查5- - - - - -7):电解质浓度,电极间的差距,和电解质类型(4,27,38,45- - - - - -48]。这些常数参数使我们出来每个电流-电压特性的模型。

4所示。结果与讨论

探讨multiphysical影响能源消耗和流量生产氢气,实验设计和运行。结果用极化曲线和条形图的形式表示。曲线呈现细胞性能通过绘制电流和电压。电池电压是能量消耗的一项指标。

4.1。Multiphysical模型的实现和验证

特征方程的线性化曲线如下: 在哪里是电池电压,我当前,和是常数。

以下4.4.1。细胞表现为不同的电解质浓度

三个浓度的氢氧化钠进行实验,即30 wt %, 50 wt %, 60 wt %。基线是40 wt %氢氧化钠。一般的方式来表达电压和电流的性能是阴谋。情节显示很少变异wt % 30至40 wt %氢氧化钠和同样50 wt %和60 wt %(图3)。浓度越大,电池的性能就越好。事实上,较低的电池电压范围(1.16 - -2.67 V)是获得60 wt %,和一个更大的范围(1.24 - -3.01 V)从30 wt %氢氧化钠。它可以正确地说,细胞表现与电解液的浓度成正比。迪亚兹(38]发现使用24单元电解槽与镍电极和尝试了15 wt %, 30 wt %, 45 wt % KOH 45 wt %给一个最优的结果。此外,Slama [32)使用0.4米,0.2米,0.1米KOH最低电压(3.3 V)为0.4 M的浓度。这种行为可以归因于增加溶液的导电性由于相对高浓度的氢氧化钠。通过增加导电性,电流流经的解决方案增强比例要求低电压电流密度相同。水的欧姆电阻电解电池是强烈依赖于电解液的浓度。可用高浓度意味着更高的电极表面积的反应物反应导致氢生产效率的增加。发现的电导率和泡沫累积的速度解决方案concentrations-dependent。错误计算表明,该数学模型和实验模型互相兼容的最大误差为1.5%记录60 wt %氢氧化钠。

4.1.2。细胞表现为不同的电极间的差距

三个电极间的间隙试验包括0.5厘米,0.75厘米,2厘米。基线是1厘米的电极间的差距。电池电压范围从1.14 - -2.71 V的极间间隙0.5厘米到1.11 - -3.45 V的极间间隙(图2厘米4),这表明近电极,电池性能就越好。这意味着细胞性能是成反比电极间的差距。含油率(39)使用铂电极和KOH作为支持电解质获得细胞电压(1.25 - -3.12 V)和(1.25 - -3.75 V)极间间隙为0.5厘米,2厘米,分别。的一个影响因素的阻力电解电池电极间的差距。差距越大,就越困难离子从一个电极转移到另一个,导致低性能。当电极间的差距很小,阻力更少的细胞进而导致增加电流的流动,因此提高了电池的性能。从模型实验结果接近的数学模型(最大误差等于0.75厘米电极间的差距为0.81%)。

4.1.3。细胞表现为不同类型的电解质

三种类型的电解质包括AC水,压水,水和工厂。自来水是控制的底线。从1.19 - -2.78 V的电池电压变化。Cwater to 1.28–3.04 V for the control (tap water) (Figure5)。Tijani et al。4)调查在80°C和350 mA /厘米²,发现电池电压为2.359 V。在同等条件下这项工作获得的电压为2.45 V。的差异可能导致参数被认为是不同于那些用于研究Tijani et al。4]。Slama [32)使用生理盐水作为支持电解质排名第一的氨水和尿水,使用氢气流量作为细胞性能指标。这是发现在低电流密度细胞电压是成反比的盐度值。这可以解释为物理化学参数。此外,观察低泡沫的形成。AC水提出了最低的峰值(500 mA /厘米²)电池电压2.78 V的价值可能由于其低传播的泡沫。这表明泡沫的抑郁影响电解槽的性能。用更少的泡沫,欧姆电阻下降导致低电池电压。自来水的最大平均误差0.77%。的集群特性曲线在高pH值表明,碱性电池电压降低。增加碱度导致电导率的增加进而导致增加电流通过解决方案,从而减少电池电压。

4.2。不同的流体流速

从一个交流源废水,废水从紧迫,和水从工厂使用和结果与基线相比实验。氢气流量的值从试验获得基线40 wt %氢氧化钠的浓度在各种类型的液体。自来水的基线实验被认为是中性的。

的流量与盐度成比例,但提供了一个极低的水从紧迫的流量。从模拟执行,发现水从一个紧迫有较高的空隙率这意味着更高的泡沫。这可能是低流量的原因。水从工厂高pH值(11.21)给出的最高流量12.48×10⁻¹厘米³/分钟(图6)。Slama [32)排名第一的氨水和尿液,氢气流速为11.2厘米³/分钟和11.5厘米³分别/分钟。尿流率的10倍以上,工厂的水,可以解释为尿液的大型盐度33.5 g / l (32)相比,水从工厂的盐度(表1.015克/公斤4)。提高氢气产量明显的趋势表明,电解不仅取决于在溶液中离子的数量目前还在流动的解决方案。逐步增加泡沫无疑降低了离子流动障碍。

当前从上面的流速计算效率和的值表明,水从工厂大约77.5%的效率最高,其次是AC水58.7%,和53.6%的水从紧迫,按绝对价值计算。自来水的基准电流效率为53.4%。效率的差异可能是由于电流密度的变化由于寄生在细胞内的损失。水从一个紧迫的结果略高于自来水,按绝对价值计算。这可以解释为,电流密度较低的自来水。尽管自来水的流量是略高于水从一个紧迫,水从紧迫的电流效率较高;这可能是由于气体交叉和泡沫的影响。

5。结论

本研究旨在确定电解液浓度,电极间的差距,和电解质的类型,可以通过电解水提高氢的生产效率。multiphysical模型和测试,获得符合数学模型。事实上,最大误差低于2%。结果证实,减少电极间的间隙0.5厘米,电解质浓度增加到60 wt %氢氧化钠,少用电解质引起泡沫细胞性能大大改善。此外,使用工厂的流量更大的水。水从服装制造工厂可以推荐一个合适的电解液。此外,它需要适度的电池电压。联合效应的三个参数用于这项工作应该使用一个阶乘设计研究。

缩写

:	电池电压
:	电阻超电势
:	激活超电势
:	可逆电压
:	温度
:	当前的
:	吉布斯能量
KOH:	氢氧化钾
氢氧化钠:	氢氧化钠
疱疹H2:	高热值的氢
NH3:	氨
DC:	直流电
:	电极的电阻率
:	电极的长度
M:	数学
经验值:	实验
敬畏:	碱性水电解
SIMELINT:	模拟电解槽在间歇运行
HYDRAC:	Hydrocarbures分析还
FCEVs:	燃料电池电动汽车。

数据可用性

实验数据用于支持这项研究的结果提供了补充材料。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作已经成功完成,由于HYDRAC喀麦隆导致电解液的标准测试标本。研究受益于博士的建议Anyi Nkongho和彻底克劳德Bakoume博士评论的手稿。E3M实验室提供的化学品和设备是大学的杜阿拉,喀麦隆。

补充材料

补充1。附录A:电极的性质(38]。补充2。附录B:氢氧化钠的导电率的数据。补充3。附录C:测量数据和数据从情节Getdata数字化仪的使用。(补充材料)

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