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.
En raison de leur haute densité d'énergie, les batteries lithium-ion sont actuellement l'une des sources d'énergie les plus populaires pour les appareils électroniques grand public portables. Cependant, la quantité d'énergie qui peut être fournie par une batterie est limitée. Il est donc actuellement beaucoup d'intérêt dans le développement de méthodes alternatives de fourniture d'énergie portable. L'une des méthodes les plus prometteuses est l'utilisation de la membrane échangeuse de protons (PEM), les piles à combustible, qui produisent de l'électricité et de l'eau en combinant hydrogène et oxygène. piles à combustible PEM ont deux principaux avantages par rapport aux batteries. En premier lieu, les piles à combustible PEM peuvent fournir de l'énergie pendant une période beaucoup plus longue (tant que le débit d'hydrogène est maintenue). En second lieu , en fonction de la source de combustible, les piles à combustible PEM peuvent avoir une densité d'énergie beaucoup plus grande que les batteries, ce qui signifie qu'un petit système peut fournir plus d' énergie. 1,2 A la suite de cela, il y a un moment un grand nombre de recherches dirigées au développement de sources portables, à la demande d' hydrogène. 2-7 Un procédé qui reçoit actuellement beaucoup d' attention est la production d'hydrogène par réaction chimique avec de l' eau 8,9.
L'un des paramètres les plus importants qui doivent être mesurés dans ces réactions est le dégagement d'hydrogène. Pour des réactions simples, tels que le dégagement d'hydrogène par l'addition de matériaux de stockage d'hydrogène chimique aux solutions aqueuses, il est avantageux de disposer d'un système de mesure simple et peu coûteux. Un exemple d'un tel système est le procédé de déplacement d'eau, dans lequel le volume de gaz produit dans une réaction chimique est mesurée simplement par le suivi du volume d'eau déplacé par un cylindre de mesure rempli d'eau inversée. Cette technique est née dans la cuve pneumatique, qui a été développé par le botaniste Stephen Hales, puis adapté et mis à son plus célèbre utilisation par Joseph Priestley pour isoler plusieurs gaz, y compris l' oxygène, dans le 18 ème siècle. 10,11 La méthode de déplacement d'eauest applicable à tout gaz qui ne sont pas particulièrement soluble dans l' eau, y compris l' hydrogène, et est encore largement utilisé pour enregistrer le volume d'hydrogène produit à partir des réactions de divers produits chimiques, tels que le borohydrure de sodium, d' aluminium et de ferrosilicium avec de l' eau. 12 20
Cependant, la méthode de déplacement d'eau classique, comportant l'enregistrement manuel des variations du niveau de l'eau que le gaz se dégage, est fastidieux et peut, à la hausse des taux d'écoulement de gaz lorsque le niveau d'eau varie rapidement, soit imprécis, car il est difficile pour l'expérimentateur de prendre une lecture précise. les données manuellement enregistré est aussi intrinsèquement faible résolution temporelle, comme un expérimentateur ne peut pas prendre de manière réaliste des lectures à des intervalles plus petits que ~ 10 sec.
Plusieurs chercheurs ont réussi à surmonter ce problème en utilisant des caméras pour enregistrer le logiciel du procédé de déplacement d'eau et l' analyse de données pour extraire le changement de volume au cours du temps. 21-25 Cependant, cette récessite connaissance de la programmation informatique et de l'équipement relativement coûteux. D' autres chercheurs ont utilisé des compteurs de débit massique pour enregistrer le flux d'hydrogène. 26-29 Cependant, ceux – ci ne sont souvent capables de détecter le gaz sur une plage étroite, et sont mieux adaptés aux applications dans lesquelles le débit est maintenu à un niveau relativement constant niveau.
Une approche plus simple pour obtenir une meilleure résolution, des données plus précises consiste à canaliser l'eau déplacée par le dégagement d'hydrogène dans un récipient récepteur qui est placé sur une balance de masse. 30 à 35 La variante de ce procédé décrit ici fait usage d'objets en verre de qualité courante en laboratoire et un faible coût, le solde disponible dans le commerce pour enregistrer le dégagement d'hydrogène à partir de la réaction du silicium avec des solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium. Plutôt que d'être enregistré manuellement, les données sont enregistrées dans une feuille de calcul à l'aide d'un logiciel de collecte de données qui permet à la balance pour envoyer des données à l'ordinateur. Cela devraitnoter que, bien que cette technique est appropriée pour mesurer le dégagement d'hydrogène sur l'échelle de millilitres, il ne convient pas pour la mesure de très faible (en raison de l'incertitude liée à l'équilibre), soit très importante (en raison de la taille limitée du cylindre de mesure) des volumes de hydrogène sans adaptation appropriée (à l'aide d' un solde plus élevé de résolution ou d' un cylindre de mesure plus grande).
Les étapes les plus critiques du protocole sont ceux qui se produisent au début d'une expérience. La grande dépendance à la température de la vitesse de ces réactions d'hydrolyse signifie qu'un grand soin doit être pris pour garantir que la température de la solution a atteint l'équilibre avant l'addition du solide. Le solide doit être ajouté rapidement et complètement, le joint de verre au sol de l'adaptateur doit être correctement inséré dans le col du ballon à fond rond, et le solde doit ensuite être remis à zéro le plus rapidement possible. Une mesure incorrecte de l'heure de début et de la température de réaction va générer des résultats incorrects.
La méthode comporte certaines limites. Il est impératif que le récipient dans lequel le cylindre de mesure est insérée aussi étroite que possible de faire en sorte que l'eau déplacée par le cylindre de mesure est rapidement canalisé vers le bas du pont en matière plastique sur la balance. Dans le cas contraire, la tension superficielle de l'eau permet aussifaible accumulation du niveau de l' eau à des débits faibles (voir Figure 5) jusqu'à ce que le point où toute l'eau est libérée dans une grande goutte à goutte.
L'erreur de l'équilibre limite également la résolution des données. Dans ces expériences, un équilibre avec une erreur de ± 0,05 g a été utilisée, ce qui est suffisant lors de la génération de plusieurs centaines de millilitres d'hydrogène, mais un équilibre avec une erreur inférieure serait nécessaire si petits volumes ont été mesurés.
Comme les gouttes d'eau déplacées en provenance du pont sur l'équilibre, la masse enregistrée par le balancier oscille, à savoir, comme un goutte à goutte tombe sur l'équilibre, la balance enregistre momentanément une masse légèrement plus grand. Cela signifie que la différenciation de la résolution des données premières de temps en utilisant des progiciels est problématique, car le gradient oscille. Le moyen le plus approprié pour trouver la pente de la partie la plus pentue de la courbe de production d'hydrogène, et donc le taux de production d'hydrogène, is pour adapter une ligne droite et calculer son gradient.
En vous connectant automatiquement les données dans une feuille de calcul, cette méthode offre une amélioration significative de la précision et une résolution temporelle par rapport aux méthodes de déplacement d'eau qui reposent sur l'enregistrement du volume de gaz dégagé manuellement. Cependant, même si elle est beaucoup moins coûteux que les méthodes qui utilisent des caméras et des logiciels d'analyse d'images pour suivre l'évolution de gaz, il est généralement plus faible dans la résolution temporelle, et de telles méthodes par caméra éviter aussi le problème de faire osciller les lectures d'équilibre de masse due à l'eau former des gouttes et donc de produire des données qui peuvent être plus facilement traitées par la différenciation.
La méthode de déplacement d'eau est applicable à la collecte d'un gaz qui a une faible solubilité dans l'eau. Ainsi, ce protocole expérimental pourrait être modifié pour la mesure des taux de production de gaz à partir d'autres réactions chimiques qui évoluent gaz soluble dans l'eau males.
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 |