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.
På grund av sin höga energitäthet, litium-jon-batterier är för närvarande en av de mest populära kraftkällor för bärbara hemelektronik. Dock är begränsad mängd energi som kan levereras av ett batteri. Det finns således för närvarande mycket intresse för att utveckla alternativa metoder för att tillhandahålla bärbara makt. En av de mer lovande metoderna är användningen av protonväxlingsmembran (PEM) bränsleceller, som genererar elektricitet och vatten genom att kombinera väte och syre. PEM bränsleceller har två huvudsakliga fördelar jämfört med batterier. För det första kan PEM-bränsleceller ge ström för en mycket längre tid (så länge som ett flöde av väte bibehålls). För det andra, beroende på bränslekällan, kan PEM-bränsleceller har en mycket större energidensitet än batterier, vilket betyder att ett mindre system kan ge mer energi. 1,2 Som ett resultat av detta finns det en för närvarande en stor mängd forskning riktad på att utveckla bärbara, on-demand vätekällor. 2-7 En metod som för närvarande får mycket uppmärksamhet är genereringen av väte genom att reagera kemikalier med vatten. 8,9
En av de viktigaste parametrarna som måste mätas i dessa reaktioner är utvecklingen av väte. För enkla reaktioner, såsom utvecklingen av väte genom tillsats av kemiska vätelagringsmaterial till vattenhaltiga lösningar, är det fördelaktigt att ha ett enkelt, ett system med låg kostnad mätning. Ett exempel på ett sådant system är vattnet förskjutningsmetod, i vilken volymen av gas som genereras i en kemisk reaktion mäts helt enkelt genom att spåra den volym vatten förflyttas från en inverterad vattenfylld mätcylinder. Denna teknik har sitt ursprung i den pneumatiska tråg, som har utvecklats av botanisten Stephen Hales och sedan anpassas och gå till dess mest kända användning av Joseph Priestley att isolera flera gaser, däribland syre, i den 18: e århundradet. 10,11 Vattenförskjutningsmetodär tillämpbar på vilken som helst gas som inte är särskilt löslig i vatten, inbegripet väte, och är fortfarande i stor utsträckning används för att registrera den mängd väte som genereras från reaktionerna av olika kemikalier, såsom natriumborohydrid, aluminium och ferrokisel, med vatten. 12- 20
Emellertid den klassiska vattenförskjutningsmetod, som inbegriper manuell registrering av förändringar i vattennivån som gas utvecklas, är omständlig och kan, vid högre gasflödeshastigheter när vattennivån ändras ofta, vara felaktig, eftersom det är svårt för den som utför experimentet att ta en korrekt behandling. Manuellt inspelade data är också naturligt låg tidsupplösning, som en försöks inte realistiskt kan ta avläsningar på mindre intervall än ~ 10 sek.
Flera forskare har lösa detta problem genom att använda kameror för att spela in volymdeplacementet processen och dataanalys programvara för att extrahera volymförändring över tiden. 21-25 Men detta requires kunskaper om datorprogrammering och relativt dyr utrustning. Andra forskare har använt sig av massflödesmätare för att registrera väteflöde. 26-29 Men dessa är ofta bara kan detektera gas över ett snävt intervall, och är bättre lämpade för tillämpningar där flödet upprätthålls vid en relativt konstant nivå.
Ett enklare sätt att få högre upplösning, är mer exakta uppgifter för att kanalisera vattnet förskjuts av vätgasutvecklingen till en mottagare fartyg som är placerad på en massbalans. 30-35 Variationen av denna metod som beskrivs häri utnyttjar allmän laboratoriekvalitet glas och en låg kostnad, kommersiellt tillgängligt saldo för att spela in vätgasutvecklingen från reaktionen av kisel med vattenhaltiga natriumhydroxidlösningar. I stället för att manuellt registreras datan loggas i ett kalkylblad med hjälp av en datainsamlingsprogramvarupaket som gör att balansen för att skicka data till datorn. Det bordenoteras att medan denna teknik är lämplig för mätning av vätgasutvecklingen på milliliter skala, är det inte lämpligt för att mäta mycket små (på grund av osäkerheten i balans) eller mycket stor (på grund av den begränsade storleken på mätcylindern) volymer väte utan lämplig anpassning (dvs med hjälp av en högre upplösning balans eller en större mätcylinder).
De mest kritiska stegen i protokollet är sådana som förekommer i början av ett experiment. Den stora beroende av graden av dessa hydrolysreaktioner temperatur innebär att stor försiktighet måste vidtas för att säkerställa att lösningen temperaturen har nått jämvikt före tillsats av det fasta materialet. Det fasta materialet måste tillsättas snabbt och fullständigt, måste den kulslipningen av adaptern vara ordentligt insatt i halsen på den rundbottnad kolv, och balansen måste då nollställas så snabbt som möjligt. En felaktig mätning av starttiden och reaktionstemperaturen kommer att generera felaktiga resultat.
Metoden har vissa begränsningar. Det är viktigt att bägaren i vilken Mätglaset skall införas är så smal som det är praktiskt möjligt för att säkerställa att vattnet förskjuts från mätcylindern snabbt kanaliseras ned plasten bron på balansen. Annars tillåter ytspänningen hos vattnet för sålåg uppbyggnad av vattennivån vid låga flöden (se figur 5) tills den punkt där allt vatten släpps i en stor dropp.
Felet av saldot begränsar också upplösningen av data. I dessa experiment, var en balans med en felmarginal på ± 0,05 g användas, vilket är tillräckligt när generera flera hundra milliliter av väte, men en balans med en mindre fel skulle krävas om mindre volymerna mäts.
Som de förskjutna vatten droppar från bron till balansen, den inspelade av svängmassan oscillerar, det vill säga som en dropp faller på balansen, tillfälligt registrerar saldot en något större massa. Detta innebär att differentieringen av hög tidsupplösning rådata med hjälp av programvarupaket är problematiskt eftersom gradienten oscillerar. Det lämpligaste sättet att hitta den gradient av den brantaste delen av vätegenereringskurva, och således vätegenereringshastigheten, jags för att passa en rät linje till den och beräkna dess lutning.
Genom att automatiskt logga data i ett kalkylblad, erbjuder denna metod en betydande förbättring i noggrannhet och tidsmässig upplösning med avseende på vattenundanträngningsmetoder som förlitar sig på registrering av gasvolymen utvecklats manuellt. Men även om det är betydligt lägre kostnad än metoder som använder kameror och bildanalys programvara för att spåra gasutveckling, är det i allmänhet lägre i tidsupplösning, och sådana kamerabaserade metoder undviker också problemet med oscillerande massbalans avläsningar på grund av vatten bildar droppar och därför producera uppgifter som lättare kan behandlas av differentiering.
Volymdeplacementet Metoden används för insamling av gas som har låg löslighet i vatten. Således kan detta försöksprotokoll modifieras för mätning av hastigheter av gasalstring från andra kemiska reaktioner som utvecklar dåligt vattenlösliga gasenes.
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 |