The study of methods to generate on-demand hydrogen for fuel cells continues to grow in importance. However, systems to measure hydrogen evolution from the reaction of chemicals with water can be complicated and expensive. This article details a simple, low-cost, and robust method to measure the evolution of hydrogen gas.
There is a growing research interest in the development of portable systems which can deliver hydrogen on-demand to proton exchange membrane (PEM) hydrogen fuel cells. Researchers seeking to develop such systems require a method of measuring the generated hydrogen. Herein, we describe a simple, low-cost, and robust method to measure the hydrogen generated from the reaction of solids with aqueous solutions. The reactions are conducted in a conventional one-necked round-bottomed flask placed in a temperature controlled water bath. The hydrogen generated from the reaction in the flask is channeled through tubing into a water-filled inverted measuring cylinder. The water displaced from the measuring cylinder by the incoming gas is diverted into a beaker on a balance. The balance is connected to a computer, and the change in the mass reading of the balance over time is recorded using data collection and spreadsheet software programs. The data can then be approximately corrected for water vapor using the method described herein, and parameters such as the total hydrogen yield, the hydrogen generation rate, and the induction period can also be deduced. The size of the measuring cylinder and the resolution of the balance can be changed to adapt the setup to different hydrogen volumes and flow rates.
Vanwege hun hoge energiedichtheid, lithium-ion-accu's zijn momenteel een van de meest populaire krachtbronnen voor draagbare consumentenelektronica. De hoeveelheid energie die door een batterij kan worden afgeleverd beperkt. Er is dus momenteel veel interesse in het ontwikkelen van alternatieve methoden van draagbare stroom. Een van de meest veelbelovende methoden is het gebruik van protonenuitwisselingsmembraan (PEM), die elektriciteit en water produceren door het combineren van waterstof en zuurstof. PEM brandstofcellen hebben twee belangrijke voordelen ten opzichte van de batterijen. Ten eerste kan PEM brandstofcellen stroom voor een veel langere periode (zolang een waterstofstroom wordt gehandhaafd). Ten tweede, afhankelijk van de brandstof, PEM brandstofcellen kan een veel grotere energiedichtheid dan batterijen, wat betekent dat een kleiner systeem meer energie kan leveren. 1,2 Ten gevolge hiervan is er momenteel een grote hoeveelheid onderzoek gericht het ontwikkelen draagbare on-demand waterstofbronnen. 2-7 Een methode die momenteel veel aandacht krijgt is de vorming van waterstof door reactie van chemicaliën met water. 8,9
Een van de belangrijkste parameters die worden gemeten in deze reacties is de ontwikkeling van waterstof. Voor eenvoudige reacties, zoals de ontwikkeling van waterstof door toevoeging van chemische waterstof opslag materiaal aan waterige oplossingen, is het voordelig om een eenvoudige, goedkope meetsysteem hebben. Een voorbeeld van een dergelijk systeem is de waterverplaatsing werkwijze, waarbij de hoeveelheid gas geproduceerd door een chemische reactie wordt eenvoudig gemeten door het volgen van het volume water verplaatst van een omgekeerde water gevulde meetcilinder. Deze techniek is ontstaan in de pneumatische trog, die werd ontwikkeld door de botanicus Stephen Hales en vervolgens aangepast en zet bij de beroemdste gebruik door Joseph Priestley naar verschillende gassen, waaronder zuurstof te isoleren, in de 18 e eeuw. 10,11 De waterverplaatsing methodeis toepasbaar op elk gas dat niet bijzonder oplosbaar in water, zoals waterstof, en wordt nog steeds veel gebruikt om de hoeveelheid waterstof, die met de reacties van verschillende chemicaliën, zoals natriumboorhydride, aluminium en ferrosilicium opnemen met water. 12- 20
De klassieke waterverplaatsing werkwijze be- treffende registratie van de veranderingen van het waterpeil gas wordt ontwikkeld, is vervelend en kunnen bij hogere gasstroomsnelheid wanneer het waterniveau verandert, dan onjuist zijn, omdat het moeilijk voor de experimentator om een nauwkeurige meting uit te voeren. Handmatig geregistreerde gegevens is ook inherent lage in temporele resolutie, als een experimentator metingen niet realistisch te nemen bij kleinere tussenpozen dan ~ 10 sec.
Verschillende onderzoekers hebben dit probleem echter opgelost door middel van camera's aan de waterverplaatsing proces en gegevensanalyse software om de volumeverandering in de tijd extract opneemt. 21-25, dit requires kennis van het programmeren van computers en relatief dure apparatuur. Andere onderzoekers hebben het gebruik van massa-flow meters aan de waterstofstroom verbaal. 26-29 zijn echter vaak slechts het opsporen van gas over een smal bereik en zijn beter geschikt voor toepassingen waarin de stroom op een relatief constant blijft niveau.
Een eenvoudigere benadering om een hogere resolutie, nauwkeuriger gegevens om het water verplaatst door waterstofontwikkeling kanaliseren in een ontvanger vat die is geplaatst op een massabalans. 30-35 De variatie van deze werkwijze die hierin is beschreven maakt gebruik van algemene laboratoriumkwaliteit en glaswerk een goedkope, commercieel beschikbare saldo waterstofontwikkeling nemen uit de reactie van silicium met waterige natriumhydroxide oplossing. In plaats van handmatig vastgelegd, worden de gegevens geregistreerd in een spreadsheet met een gegevensverzameling softwarepakket waarmee het saldo gegevens naar de computer verzenden. Het zou moetenworden opgemerkt dat hoewel deze techniek geschikt is voor het meten waterstofontwikkeling op milliliter schaal, is het niet geschikt voor het meten van zeer kleine (vanwege de onzekerheid in de balans) tot zeer groot (vanwege de beperkte omvang van de maatcilinder) volumes waterstof zonder de vereiste aanpassing (dat wil zeggen, met behulp van een hogere resolutie saldo of een grotere maatcilinder).
De meest kritische stappen van het protocol zijn die welke optreden bij het begin van een experiment. De grote temperatuursafhankelijkheid van de snelheid van deze hydrolysereacties betekent dat grote zorg moet worden gezorgd dat de oplossing deze temperatuur heeft bereikt vóór de toevoeging van de vaste stof. De vaste snel moeten worden toegevoegd en volledig, de geslepen glas van de adapter wordt naar behoren in de hals van de rondbodemkolf geplaatst en het saldo moet dan zo snel worden nulpunt mogelijk. Een onjuiste meting van de starttijd en de reactie temperatuur onjuiste resultaten genereren.
De methode heeft een aantal beperkingen. Het is noodzakelijk dat de beker waarin de maatcilinder geplaatst zo smal als praktisch dat de verplaatste water uit de maatcilinder snel gekanaliseerd langs de plastic brug naar de balans. Anders is de oppervlaktespanning van het water maakt alslage opbouw van de waterstand bij lage stroomsnelheden (zie figuur 5), tot het punt waarop al het water is uitgebracht in een groot infuus.
De fout van het saldo beperkt ook de resolutie van de gegevens. In deze experimenten, een evenwicht met een fout van ± 0,05 g werd gebruikt, dat passend is bij het genereren van enkele honderden milliliters waterstof, maar een balans met een kleinere fout zou wanneer kleinere hoeveelheden werden gemeten vereist.
Zoals het verplaatste water druipt van de brug op de balans, de massa opgenomen door het evenwicht oscilleert, dat wil zeggen, als een druppel valt op de balans, de balans tijdelijk registreert een iets grotere massa. Dit betekent dat de differentiatie van de hoge tijdsresolutie ruwe gegevens met behulp van software pakketten is problematisch omdat het verloop oscilleert. De meest geschikte manier om het verloop van de steilste gedeelte van de waterstof generatie curve, en dus de waterstof generatie tarief te vinden, is om een rechte lijn te passen aan het en berekent haar verloop.
Automatisch opslaan van de gegevens in een spreadsheet, biedt deze werkwijze een aanzienlijke verbetering in nauwkeurigheid en temporele resolutie ten opzichte waterverplaatsing methoden die berusten op het opnemen van het gasvolume handmatig ontwikkeld. Echter, al is aanzienlijk lager in kosten dan werkwijzen welke camera en beeldanalyse software om gasontwikkeling volgen, is doorgaans van mindere temporele resolutie en dergelijke camera gebaseerde werkwijzen ook voorkomen dat het probleem van oscillerende massabalans metingen door water druppelvorming en produceren daarom gegevens die gemakkelijker kan worden verwerkt door differentiatie.
De waterverplaatsing methode is toepasbaar voor de inning van gas dat een lage oplosbaarheid in water heeft. Aldus zou deze experimentele protocol worden aangepast voor het meten van snelheden van gas op basis van andere chemische reacties die slecht wateroplosbaar gas ontwikkelenes.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank the EPSRC and Intelligent Energy Ltd for funding this project. PB also thanks the SCI for the award of a Messel Scholarship.
WinWedge software | Taltech | http://www.taltech.com/winwedge | |
High Resolution Top Loader Balance | LW Measurements, LLC | HRB6001 | http://www.lwmeasurements.com/HRB-6001-High-Resoultion-Top-Loader-Balance-p/hrb6001.htm |
Silicon | Sigma Aldrich | 215619 | 325 mesh |
Sodium hydroxide | Sigma Aldrich | 221465 | Reagent grade |
Aluminium (65.7%)-silicon (34.3%) alloy | Goodfellow | 275-274-74 | |
Excel | Microsoft | https://products.office.com/en-us/excel | |
Glass sample vials, 50x12mm | Scientific Laboratory Supplies | TUB1152 | |
Plastic sheet | Recycled from a smooth-sided plastic drinks bottle | ||
Silicone tubing, 5x8mm BxO D | Scientific Laboratory Supplies | TUB3806 | |
Parafilm (2 in. by 250 ft.) | Sigma Aldrich | P7543 | |
Adapter | Sigma Aldrich | Z415685 | We used a custom-made adapter in our set-up, but this type of fitting would serve the same function |