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.
Debido a su alta densidad de energía, las baterías de iones de litio son actualmente una de las fuentes de energía más populares para los productos electrónicos de consumo portátiles. Sin embargo, la cantidad de energía que puede ser suministrada por una batería es limitada. Por tanto, existe actualmente un gran interés en el desarrollo de métodos alternativos de abastecimiento de energía portátil. Uno de los métodos más prometedores es el uso de pilas de combustible de membrana de intercambio (PEM) de protones, que generan electricidad y agua mediante la combinación de hidrógeno y oxígeno. pilas de combustible PEM tienen dos ventajas principales sobre las pilas. En primer lugar, las células de combustible PEM pueden proporcionar la energía para un período mucho más largo de tiempo (el tiempo que se mantiene un flujo de hidrógeno). En segundo lugar, dependiendo de la fuente de combustible, células de combustible PEM pueden tener una mucho mayor densidad de energía que las baterías, lo que significa que un sistema más pequeño puede proporcionar más energía. 1,2 Como resultado de esto, no es una actualmente una gran cantidad de investigación dirigida al desarrollo portátiles, fuentes de hidrógeno bajo demanda. 2-7 Un método que actualmente está recibiendo mucha atención es la generación de hidrógeno por reacción de los productos químicos con el agua. 8,9
Uno de los parámetros más importantes que deben ser medidos en estas reacciones es la evolución de hidrógeno. Para las reacciones simples, tales como la evolución de hidrógeno mediante la adición de materiales de almacenamiento de hidrógeno químicas en soluciones acuosas, es ventajoso disponer de un sistema de medición simple, de bajo costo. Un ejemplo de un sistema de este tipo es el método de desplazamiento de agua, en el que el volumen de gas generado en una reacción química se mide simplemente mediante el seguimiento del volumen de agua desplazado de un cilindro de medición lleno de agua invertida. Esta técnica se originó en la cuba neumática, que fue desarrollado por el botánico Stephen Hales y luego adaptó y puso a su uso más famoso por Joseph Priestley para aislar varios gases, incluyendo el oxígeno, en el siglo 18. 10,11 El método de desplazamiento de aguaes aplicable a cualquier gas que no es particularmente soluble en agua, incluyendo hidrógeno, y todavía es ampliamente usado para registrar el volumen de hidrógeno generado a partir de las reacciones de los diversos productos químicos, tales como borohidruro de sodio, aluminio y ferrosilicio, con agua de 12. 20
Sin embargo, el método de desplazamiento de agua clásico, que implica el registro manual de los cambios en el nivel del agua como se desprende gas, es tedioso y puede, a velocidades de flujo de gas más altas cuando el nivel del agua cambia rápidamente, sea inexacto, ya que es difícil para el experimentador para tomar una lectura precisa. datos registrados manualmente también es inherentemente baja en resolución temporal, como un experimentador no es realista tomar lecturas a intervalos más pequeños que ~ 10 seg.
Varios investigadores han superado este problema mediante el uso de cámaras para registrar el software proceso de desplazamiento de agua y análisis de datos para extraer el cambio de volumen con el tiempo. 21-25 Sin embargo, este requires conocimiento de la programación de ordenadores y equipos relativamente caros. Otros investigadores han hecho uso de medidores de flujo de masa para grabar el flujo de hidrógeno. 26-29 Sin embargo, estos son a menudo sólo capaz de detectar gas en un rango estrecho, y son más adecuados para aplicaciones en las que el flujo se mantiene a un relativamente constante nivel.
Un enfoque más sencillo para la obtención de una resolución más alta, los datos más precisa es canalizar el agua desplazada por el desprendimiento de hidrógeno en un recipiente receptor que se coloca en un balance de masas. 30-35 La variación de este método descrito en este documento hace uso de material de vidrio de grado general de laboratorio y un bajo costo, el equilibrio disponible en el mercado para grabar el desprendimiento de hidrógeno de la reacción de silicio con soluciones acuosas de hidróxido de sodio. En lugar de ser registrado manualmente, los datos se registra en una hoja de cálculo utilizando un paquete de software de recogida de datos que permite el equilibrio para enviar datos al ordenador. Deberíaseñalar que si bien esta técnica es adecuada para la medición de la evolución de hidrógeno en la escala de mililitros, no es adecuado para medir muy pequeñas (debido a la incertidumbre en el equilibrio) o muy grande (debido al tamaño limitado de la probeta) volúmenes de hidrógeno sin adaptación apropiada (es decir, usando una balanza de resolución más alta o un cilindro de medición más grande).
Los pasos más críticos del protocolo son aquellas que ocurren en el comienzo de un experimento. La gran dependencia de la temperatura de la velocidad de estas reacciones de hidrólisis significa que gran se debe tener cuidado para asegurar que la temperatura de la solución ha alcanzado el equilibrio antes de la adición del sólido. El sólido se debe agregar rápida y completamente, la junta de vidrio esmerilado del adaptador correctamente insertada en el cuello del matraz de fondo redondo, y el saldo debe ponerse a cero entonces lo más rápidamente posible. Una medición incorrecta de la hora de inicio y la temperatura de reacción generará resultados incorrectos.
El método tiene algunas limitaciones. Es imperativo que el vaso en el que se inserta el cilindro de medición es tan estrecha como sea posible para asegurar que el agua desplazada desde el cilindro de medición se canaliza rápidamente hacia abajo el puente de plástico en el equilibrio. De lo contrario, la tensión superficial del agua permite comobajo la acumulación del nivel de agua a velocidades de flujo bajas (véase la figura 5) hasta que el punto en el que toda el agua se libera en una gran goteo.
El error de la balanza también limita la resolución de los datos. En estos experimentos, se utilizó un equilibrio con un error de ± 0,05 g, que es adecuada cuando la generación de varios cientos de mililitros de hidrógeno, pero sería necesario un equilibrio con un error menor si los volúmenes más pequeños se está midiendo.
A medida que el agua gotea desplazadas desde el puente hacia el equilibrio, la masa registrado por la balanza oscila, es decir, como un goteo cae sobre el equilibrio, el equilibrio momentáneamente registra una masa ligeramente mayor. Esto significa que la diferenciación de alta resolución de tiempo de datos brutos, utilizando paquetes de software es problemático, ya que el gradiente oscila. La forma más adecuada para encontrar la pendiente de la parte más empinada de la curva de generación de hidrógeno, y por lo tanto la tasa de generación de hidrógeno, is para adaptarse a una línea recta a la misma y calcular su gradiente.
Al iniciar la sesión automáticamente los datos en una hoja de cálculo, este método ofrece una mejora significativa en la precisión y la resolución temporal con respecto a los métodos de desplazamiento de agua que se basan en la grabación el volumen de gas desprendido manualmente. Sin embargo, aunque es considerablemente más económicos que los métodos que utilizan cámaras y software de análisis de imagen para realizar un seguimiento de la evolución de gas, es generalmente más bajo en la resolución temporal, y tales métodos basados en cámaras también a evitar el problema de la oscilación de las lecturas del balance de masa debido al agua la formación de gotas y, por tanto, producir datos que pueden ser más fácilmente procesados por la diferenciación.
El método de desplazamiento de agua es aplicable a la colección de cualquier gas que tiene una baja solubilidad en agua. Por lo tanto, este protocolo experimental podría ser modificado para la medición de las tasas de generación de gas de otras reacciones químicas que evolucionan gas poco soluble en aguaES.
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 |