The analysis of electrode material efficiency in hydrogen production through electrolysis from seawater solution

• Autorzy: Kaensakol Rungchai , Srisiriwat Anuchart , Srisiriwat Nawadee

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.01.09

Warianty tytułu

PL

Analiza efektywności materiału elektrodowego w produkcji wodoru metodą elektrolizy z roztworu wody morskiej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Where there is a shortage of fresh water but abundant solar and wind power is available during the day, seawater electrolysis to produce hydrogen used as fuel for fuel cells to generate electricity at night is an attractive alternative. The electrode is one of the key parts of the seawater electrolysis process. Moreover, this study focused on the commercial electrodes as a preliminary study to see if it was possible to use the low-cost and easy-to-access materials. Four electrodes, including graphite, brass, stainless steel, and steel, were used to study the effects of electrode materials on hydrogen production via seawater electrolysis. In addition, the effects of reaction times on operating parameters such as voltage, current, and pH were reported. Hydrogen production using graphite electrodes showed higher hydrogen production than that using metal electrodes. For 360-min reaction times, the hydrogen production using graphite, stainless steel 316, steel, and brass electrodes decreased from 1.46 to 0.7, 0.74 to 0.62, 0.62 to 0.52, and 0.24 to 0.01 ml min-1 cm-2 at the current density of about 150, 4 - 24, 110, and 110 mA/cm2, respectively. However, when the power input to the electrolysis process was considered to compare the efficiency of hydrogen production per power input, it was found that graphite produced more hydrogen than other materials, but after 60 min, stainless steel gave the highest hydrogen production. At pH > 7.5, the OCl- is the main cause of electrode corrosion, resulting in decreasing hydrogen production.

PL

Tam, gdzie brakuje słodkiej wody, ale w ciągu dnia dostępna jest duża ilość energii słonecznej i wiatrowej, atrakcyjną alternatywą jest elektroliza wody morskiej w celu wytworzenia wodoru wykorzystywanego jako paliwo do ogniw paliwowych wytwarzających energię elektryczną w nocy. Elektroda jest jedną z kluczowych części procesu elektrolizy wody morskiej. Co więcej, w ramach tego badania skupiono się na elektrodach dostępnych na rynku, aby sprawdzić, czy możliwe jest zastosowanie tanich i łatwo dostępnych materiałów. Do zbadania wpływu materiałów elektrod na produkcję wodoru w procesie elektrolizy wody morskiej wykorzystano cztery elektrody, w tym grafit, mosiądz, stal nierdzewną i stal. Ponadto opisano wpływ czasów reakcji na parametry operacyjne, takie jak napięcie, prąd i pH. Produkcja wodoru przy użyciu elektrod grafitowych wykazała wyższą produkcję wodoru niż przy użyciu elektrod metalowych. Dla czasów reakcji 360 min produkcja wodoru przy użyciu elektrod grafitowych, Stal nierdzewna 316, stalowych i mosiężnych spadła z 1,46 do 0,7, 0,74 do 0,62, 0,62 do 0,52 i 0,24 do 0,01 ml min-1 cm-2 przy gęstości prądu odpowiednio około 150, 4 - 24, 110 i 110 mA/cm2. Jednakże, gdy wzięto pod uwagę moc wejściową procesu elektrolizy w celu porównania wydajności produkcji wodoru na pobór mocy, stwierdzono, że grafit wytwarza więcej wodoru niż inne materiały, ale po 60 minutach stal nierdzewna dała największą produkcję wodoru. Przy pH > 7,5 OCl- jest główną przyczyną korozji elektrod, powodując zmniejszenie wytwarzania wodoru.

Słowa kluczowe

EN

electrode corrosion; electrode material; graphite; hydrogen production; seawater electrolysis

PL

korozja elektrody; materiał elektrody; grafit; produkcja wodoru; elektroliza wody morskiej

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 1
• Strony: 45--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kaensakol Rungchai

• Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Pathumwan Institute of Technology

• https://orcid.org/0009-0008-2155-9686

autor

Srisiriwat Anuchart

• Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Pathumwan Institute of Technology

• https://orcid.org/0009-0002-1423-1320

autor

Srisiriwat Nawadee

• Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Pathumwan Institute of Technology

• https://orcid.org/0000-0003-2329-1034

Bibliografia

• [1] Jiang S., et al., Recent Advances in Seawater Electrolysis. Catalysts, 12 (2022), 123
• [2] Meier K., Hydrogen production with sea water electrolysis using Norwegian offshore wind energy potentials. Int. J. Energy Environ. Eng., 5 (2014), 104-106
• [3] Gao F.Y., Yu P.-C. and Gao M.-R., Seawater electrolysis technologies for green hydrogen production: challenges and opportunities, Current Opinion in Chemical Engineering, 36 (2022), 100827
• [4] Dresp S., et al., Direct Electrolytic Splitting of Seawater: Opportunities and Challenges, ACS Energy Letters, 4 (2019), No. 4, 933-942
• [5] Srisiriwat A. and Pirom W., Feasibility Study of Seawater Electrolysis for Photovoltaic/Fuel Cell Hybrid Power System for the Coastal Areas in Thailand, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 241 (2017), 012041
• [6] Rezaei M., et al., Hydrogen production using wind energy from sea water: A case study on Southern and Northern coasts of Iran, Energy & Environment, 29 (2018), 0958305X1775005
• [7] Dokhani S., Assadi M. and Pollet B.G., Techno-economic assessment of hydrogen production from seawater, Int. J. Hydrogen Energy, 48 (2023), No. 26, 9592-9608
• [8] d'Amore-Domenech R. and Leo T.J., Sustainable hydrogen production from offshore marine renewable farms: Techno-energetic insight on seawater electrolysis technologies, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7 (2019), No. 9, 8006-8022
• [9] Abdel-Aal H.K., Zohdy K.M. and Kareem M.A., Hydrogen Production Using Sea Water Electrolysis, The Open Fuel Cells Journal, 3 (2010), 1-7
• [10] Fukuzumi S., Lee Y.-M. and Nam W., Fuel Production from Seawater and Fuel Cells Using Seawater, ChemSusChem, 10.1002/cssc.201701381
• [11] ul Haq, T. and Haik Y., Strategies of Anode Design for Seawater Electrolysis: Recent Development and Future Perspective, Small Science, 2 (2022), No. 9, 2200030
• [12] Liu G., et al., Recent advances in electrocatalysts for seawater splitting, Nano Mater. Sci., 5 (2020), No. 1, 101-116
• [13] Frisch M. L., et al., Seawater Electrolysis Using All-PGM-Free Catalysts and Cell Components in an Asymmetric Feed, ACS Energy Lett., 8 (2023), 2387-2394
• [14] Zhao L., et al., Design Strategy of Corrosion-Resistant Electrodes for Seawater Electrolysis. Materials, 16 (2023), 2709
• [15] Tong W., et al., Electrolysis of low-grade and saline surface water, Nat. Energy, 5 (2020), 367–377
• [16] Kuang Y., Kenney M.J. and Meng Y., Solar-driven, highly sustained splitting of seawater into hydrogen and oxygen fuels, PNAS, 116 (2019), No. 14, 6624-6629
• [17] Koster J.W., et al., Explicitly controlling electrical current density overpowers the kinetics of the chlorine evolution reaction and increases the hydrogen production during seawater electrolysis, Int. J. Hydrogen Energy, 48 (2023), No. 13, 4994-5000
• [18] Rustana C.E., et al., The Effect of Voltage and Electrode Types on Hydrogen Production from The Seawater Electrolysis Process, J. Phys.: Conf. Ser., 2019 (2021), 012096
• [19] Mu L., Wang Y. and Tarpeh W.A., Validation and Mechanism of a Low-Cost Graphite Carbon Electrode for Electrochemical Brine Valorization, ACS Sustainable Chem. Eng., 8 (2020), No. 23, 8648-8654
• [20] Rustana C.E., et al., Preliminary Study on The Effect of Time on Hydrogen Production from Electrolysis of The Seawater, J. Phys.: Conf. Ser., 2019 (2021), 012095
• [21] Dionigi F., et al., Design criteria, operating conditions, and nickel-iron hydroxide catalyst materials for selective seawater electrolysis, ChemSusChem, 9 (2016), 962–972

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).