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.
Grazie alla loro elevata densità di energia, le batterie agli ioni di litio sono attualmente una delle fonti di energia più popolari per l'elettronica di consumo portatili. Tuttavia, la quantità di energia che può essere trasportato da una batteria è limitata. Vi è quindi attualmente molto interesse per lo sviluppo di metodi alternativi per la fornitura di energia portatile. Uno dei metodi più promettenti è l'uso di celle a combustibile a membrana di scambio (PEM) protonica, che generano elettricità e acqua combinando idrogeno e ossigeno. celle a combustibile PEM hanno due vantaggi principali rispetto alle batterie. In primo luogo, le celle a combustibile PEM possono fornire energia per un periodo molto più lungo di tempo (fino a quando si mantiene un flusso di idrogeno). In secondo luogo, a seconda della fonte di combustibile, celle a combustibile PEM possono avere una maggiore densità di energia rispetto alle batterie, che significa che un sistema più piccolo può fornire più energia. 1,2 Come risultato di questo, vi è un momento una grande quantità di ricerca diretto in via di sviluppo, le fonti portatili on-demand di idrogeno. 2-7 Un metodo attualmente ricevendo molta attenzione è la generazione di idrogeno per reazione chimica con l'acqua. 8,9
Uno dei parametri più importanti che devono essere misurati in queste reazioni è l'evoluzione dell'idrogeno. Per le reazioni semplici, come l'evoluzione dell'idrogeno con l'aggiunta di materiali di stoccaggio dell'idrogeno chimica alle soluzioni acquose, è vantaggioso avere un semplice, sistema di misura a basso costo. Un esempio di tale sistema è il metodo di spostamento dell'acqua, in cui il volume di gas generato in una reazione chimica viene misurata semplicemente monitorando il volume di acqua spostato da un cilindro graduato riempito d'acqua invertita. Questa tecnica ha avuto origine nel trogolo pneumatica, che è stato sviluppato dal botanico Stephen Hales e poi adattato e messo a suo più famoso uso da parte di Joseph Priestley per isolare diversi gas, tra cui l'ossigeno, nel 18 ° secolo. 10,11 Il metodo di spostamento dell'acquaè applicabile a qualsiasi gas che non è particolarmente solubili in acqua, compreso l'idrogeno, ed è ancora ampiamente utilizzato per registrare il volume di idrogeno generato dalle reazioni di varie sostanze chimiche, come boroidruro di sodio, alluminio e ferro-silicio, con acqua. 12- 20
Tuttavia, il metodo classico spostamento dell'acqua, coinvolgendo registrazione manuale delle variazioni del livello dell'acqua il gas evoluto, è noioso e può, a portate di gas elevate quando il livello dell'acqua cambia rapidamente, sia imprecisa, in quanto è difficile per lo sperimentatore di prendere una lettura accurata. dati registrati manualmente è anche intrinsecamente a basso contenuto di risoluzione temporale, come uno sperimentatore non può realisticamente prendere le letture ad intervalli minori rispetto ~ 10 sec.
Parecchi ricercatori hanno superato questo problema utilizzando telecamere per registrare il software di processo spostamento d'acqua e l'analisi dei dati per estrarre il cambiamento di volume nel tempo. 21-25 Tuttavia, questo requires conoscenza della programmazione di computer e apparecchiature relativamente costoso. Altri ricercatori hanno fatto uso di metri mass-flow di registrare il flusso di idrogeno. 26-29 Tuttavia, questi sono spesso in grado di rilevare solo gas su un range limitato, e sono più adatti per applicazioni in cui il flusso è mantenuta a una relativamente costante livello.
Un approccio più semplice di ottenere una risoluzione più alta, dati più accurata è per incanalare l'acqua spostata per evoluzione di idrogeno in un recipiente ricevente che si trova su un bilancio di massa. 30-35 La variazione di tale metodo qui descritto fa uso di laboratorio di grado generale vetreria e un basso costo, saldo disponibile commercialmente per registrare sviluppo di idrogeno dalla reazione di silicio con soluzioni acquose di idrossido di sodio. Invece di essere registrato manualmente, i dati vengono registrati in un foglio di calcolo utilizzando un pacchetto software di raccolta dati che consente il saldo di inviare dati al computer. Dovrebbeda notare che mentre questa tecnica è appropriato per misurare sviluppo di idrogeno sulla scala millilitro, non è adatto per misurare molto piccola (a causa dell'incertezza del saldo) o molto grande (a causa delle limitate dimensioni del cilindro graduato) volumi idrogeno senza adattamento adeguato (per esempio, utilizzando una bilancia risoluzione più alta o un cilindro di misura più grande).
Le fasi più critiche del protocollo sono quelli che si verificano all'inizio di un esperimento. La dipendenza dalla temperatura grande del tasso di queste reazioni di idrolisi significa che grande cura deve essere presa per assicurare che la temperatura della soluzione ha raggiunto l'equilibrio prima dell'aggiunta del solido. Il solido bisogna aggiungere rapidamente e completamente, il giunto di vetro smerigliato della scheda deve essere correttamente inserito nel collo del pallone a fondo tondo, e il saldo dovrà poi essere azzerato il più rapidamente possibile. Una misura non corretta del tempo di inizio e temperatura di reazione genererà risultati non corretti.
Il metodo ha alcune limitazioni. È indispensabile che il bicchiere in cui viene inserito il cilindro graduato da restringere il più possibile per garantire che l'acqua spostata dal cilindro graduato viene rapidamente incanalata il ponte di plastica sulla bilancia. Altrimenti, la tensione superficiale dell'acqua permette abasso accumulo del livello dell'acqua a basse portate (vedi figura 5) fino al punto in cui tutta l'acqua viene rilasciato in una grande goccia.
L'errore del saldo limita anche la risoluzione dei dati. In questi esperimenti, un equilibrio con un errore di ± 0,05 g è stato utilizzato, che è adeguata quando si generano diverse centinaia di millilitri di idrogeno, ma un equilibrio con un errore minore sarebbe necessario se venivano misurate piccoli volumi.
Come le gocce acqua spostata dal ponte sulla bilancia, la massa registrato dalla bilancia oscilla, cioè come una flebo cade sulla bilancia, la bilancia registra momentaneamente una massa leggermente più grande. Ciò significa che la differenziazione di elevata risoluzione temporale dati grezzi utilizzando pacchetti software è problematico, in quanto la pendenza oscilla. Il modo più appropriato per trovare il gradiente della parte più ripida della curva di generazione di idrogeno, e quindi il tasso di generazione di idrogeno, is per misura una linea retta ad esso e calcolare la sua pendenza.
Accedendo automaticamente i dati in un foglio di calcolo, questo metodo offre un miglioramento significativo della precisione e risoluzione temporale rispetto ai metodi di spostamento dell'acqua che si basano sulla registrazione del volume di gas sviluppato manualmente. Tuttavia, anche se è considerevolmente inferiore in termini di costi rispetto ai metodi che utilizzano telecamere e immagine software di analisi per monitorare lo sviluppo di gas, è generalmente inferiore a risoluzione temporale, e tali metodi basati su telecamere anche evitare il problema di oscillazione letture bilancio di massa a causa di acqua la formazione di gocce e quindi produrre dati che possono essere più facilmente elaborati da differenziazione.
Il metodo dislocamento è applicabile alla raccolta di qualsiasi gas che ha una bassa solubilità in acqua. Così, questo protocollo sperimentale potrebbe essere modificato per la misura dei tassi di generazione di gas di altre reazioni chimiche che si evolvono acqua poco solubile gases.
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 |