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 grunn av sin høye energitetthet, litium-ion-batterier er i dag en av de mest populære strømkilder for bærbar forbrukerelektronikk. Imidlertid er den energimengde som kan leveres av et batteri begrenset. Det er derfor for tiden stor interesse i å utvikle alternative metoder for å gi bærbare. En av de mer lovende metoder er bruk av proton vekslingsmembran (PEM) brenselceller, som genererer elektrisitet og vann ved å kombinere hydrogen og oksygen. PEM-brenselceller har to hoved fordeler fremfor batterier. For det første kan PEM-brenselsceller, som gir strøm til en mye lengre periode (så lenge en strøm av hydrogen opprettholdes). For det andre, avhengig av brennstoffkilde, kan PEM-brenselceller har en mye større energitetthet enn batterier, noe som betyr at et mindre system kan gi mer energi. 1,2 Som et resultat av dette, er det en i dag en stor mengde forskning rettet mot utviklings bærbare, on-demand hydrogenkilder. 2-7. En metode som for tiden mottar mye oppmerksomhet er generering av hydrogen ved omsetning av kjemikalier med vann. 8,9
En av de viktigste parametre som skal måles i disse reaksjonene er utviklingen av hydrogen. For enkle reaksjoner, som for eksempel utvikling av hydrogen ved tilsetning av kjemiske hydrogenlagringsmaterialer i vandige løsninger, er det fordelaktig å ha en enkel, rimelig målesystem. Et eksempel på et slikt system er den vannfortrengningsmetoden, karakterisert ved at volumet av gassen som dannes i en kjemisk reaksjon måles ganske enkelt ved å spore volum vann fortrenges fra en omvendt vannfylt målesylinder. Denne teknikken har sin opprinnelse i den pneumatiske trau, som ble utviklet av botanikeren Stephen Hales og deretter bearbeidet og satt byens mest kjente bruken av Joseph Priestley å isolere flere gasser, blant annet oksygen, i det 18. århundre. 10,11 Vannet fortrengning metodekan anvendes på en hvilken som helst gass som ikke er særlig løselig i vann, blant annet hydrogen, og er fortsatt mye brukt til å registrere volumet av hydrogen som genereres fra reaksjoner av forskjellige kjemikalier, slik som natrium-borhydrid, aluminium og ferrosilisium, med vann. 12- 20
Men den klassiske vannfortrengningsmetoden, som innebærer manuell registrering av forandringer i vannstanden som gassutvikling, er langtekkelig og kan, ved høyere gassstrømningshastigheter når vannivået endres raskt, være unøyaktig, fordi det er vanskelig for experimenter å ta en nøyaktig avlesning. Manuelt registrerte data er også iboende lav i tidsoppløsning, som en eksperimentator ikke realistisk kan ta målinger på mindre intervaller enn ~ 10 sek.
Flere forskere har overvunnet dette problemet ved hjelp av kameraer for å ta opp vann fortrengningsprosessen og dataanalyseprogramvare for å ekstrahere volumendring over tid. 21-25 imidlertid dette requires kunnskap om programmering og relativt kostbart utstyr. Andre forskere har gjort bruk av masse-strømningsmålere for å registrere den hydrogenstrøm. 26-29 er imidlertid ofte bare i stand til å detektere gass over et snevert område, og er bedre egnet for anvendelser hvor strømningen opprettholdes på et relativt konstant nivå.
En enklere måte å oppnå høyere oppløsning, er mer nøyaktige data for å kanalisere vannet fortrenges av hydrogenutvikling i en mottaker kar som er plassert på en massebalanse. 30-35 Den variant av denne fremgangsmåten som her er beskrevet gjør bruk av den generelle laboratorieglassvarer og klasse en billig, kommersielt tilgjengelig balanse til å registrere hydrogenutviklingen fra reaksjonen mellom silisium med vandig natriumhydroksyd-løsninger. Snarere enn å være tatt opp manuelt, blir dataene lagret i et regneark ved hjelp av en datasamling programvarepakke som gjør at balansen for å sende data til datamaskinen. Det burdebemerkes at selv om denne teknikken er egnet for måling av hydrogenutvikling på milliliter målestokk, er det ikke egnet til å måle meget liten (på grunn av usikkerhet i balanse) eller meget stor (på grunn av den begrensede størrelsen av målesylinderen) volumer hydrogen uten riktig tilpasning (dvs. bruke en høyere oppløsning balanse eller en større målesylinder).
De mest kritiske trinn i protokollen er de som forekommer ved begynnelsen av et eksperiment. Den store temperaturavhengigheten av hastigheten av disse hydrolysereaksjoner vil si at stor forsiktighet må utvises for å sikre at oppløsningstemperaturen har nådd likevekt før tilsetning av det faste stoff. Faststoffet må legges raskt og fullstendig, må i første glass skjøten av adapteren være riktig satt inn i halsen på rundbunnet kolbe, og balansen må da nullstilles så hurtig som mulig. En feilaktig måling av starttidspunkt og reaksjonstemperaturen vil generere feil resultater.
Metoden har noen begrensninger. Det er viktig at begeret i hvilket målesylinderen er satt inn er så smale som praktisk mulig for å sikre at vannet som fortrenges fra målesylinderen hurtig kanaliseres ned plast broen til balansen. Ellers overflatespenningen av vannet som tillaterlav oppsamling av vann-nivået ved lave strømningshastigheter (se figur 5) til det punkt hvor alt vannet slippes ut i et stort drypp.
Feilen av balansen begrenser også oppløsningen av dataene. I disse forsøk ble en balanse med en feil på ± 0,05 g brukt, noe som er tilstrekkelig ved generering av flere hundre milliliters av hydrogen, men en balanse med en mindre feil ville være nødvendig dersom mindre volum ble målt.
Som de ford vann drypper fra brua på balansen, massen registrert av balansen svinger, dvs. som et drypp faller på balansen, balansen øyeblikk registrerer en litt større masse. Dette betyr at differensiering av høy tidsoppløsning rådata som bruker programvarepakker er problematisk som gradient svinger. Den mest hensiktsmessige måten å finne gradienten til den bratteste delen av hydrogen generasjon kurven, og dermed hydrogen generasjon rate, jegs til å passe en rett linje til det og beregne stigning.
Ved automatisk logging av data i et regneark, denne fremgangsmåte gir en betydelig forbedring i nøyaktighet og tidsmessig oppløsning med hensyn til vann fortrengningsmetoder som baserer seg på opptak av den mengde gass som utvikles manuelt. Men, selv om det er betydelig lavere i pris enn metoder som benytter kamera og programvare for bildeanalyse for å spore gassutvikling, er det generelt lavere i tidsmessig oppløsning, og slike kamerabaserte metoder også unngå problemet med oscillerende masse-balanse avlesninger på grunn av vann danner dråper og derfor produsere data som kan være lettere behandles av differensiering.
Vannet forskyvning Metoden er egnet for samling av en hvilken som helst gass som har lav oppløselighet i vann. Således kunne denne eksperimentelle protokollen bli modifisert for måling av forekomst av gassutvikling fra andre kjemiske reaksjoner som utvikler dårlig vannoppløselige gasses.
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 |