Influence of the ballast resistor on the current-voltage characteristics in the cathodic subregimes of the plasma-driven solution electrolysis

• Autorzy: Bespalko Sergii , Mizeraczyk Jerzy

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.09.54

Warianty tytułu

PL

Wpływ rezystora balastowego na charakterystykę prądowo-napięciową w podregionach katodowych elektrolizy roztworu napędzanego plazmą

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the results of an experimental study of the current-voltage characteristics in the DC electrolysis of 10 wt% Na2CO3 aqueous solution covering three operational regimes: Faradaic, transition, and regime of the plasma-driven solution electrolysis (PDSE). An interpretation of the current-voltage characteristic is given, especially for the PDSE regime of electrolysis, which is composed of two subregimes: stable and violent glow discharges. This study shows for the first time an influence of the ballast resistor introduced in series to the electrolytic cell circuit on the operating current and voltage as well as power consumption to sustain the glow discharges. Thus, introducing the ballast resistance of 15 Ohm decreases power consumption needed to sustain the glow discharges by 44%. The optical emission spectroscopy diagnostics (OES) shows a sequence of the appearance of the Na, OH, and Hα emission lines when the transition regime and subregimes of the cathodic PDSE are attained with an increase of the applied DC voltage

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych charakterystyk prądowo-napięciowych w elektrolizie stałoprądowej 10- procentowego roztworu wodnego Na2CO3 obejmujących trzy reżimy operacyjne: Faradyczny, przejściowy oraz reżim elektrolizy roztworu napędzanego plazmą (PDSE). Podano interpretację charakterystyki prądowo-napięciowej, szczególnie dla reżimu elektrolizy PDSE, który składa się z dwóch podrejonów: stabilnych i gwałtownych wyładowań jarzeniowych. Badanie to po raz pierwszy pokazuje wpływ rezystora balastowego wprowadzonego szeregowo do obwodu ogniwa elektrolitycznego na prąd i napięcie robocze, a także pobór mocy do podtrzymania wyładowań jarzeniowych. Tak więc, wprowadzenie rezystancji balastowej 15 Ohm zmniejsza pobór mocy do podtrzymania wyładowań jarzeniowych o 44%. Diagnostyka optycznej spektroskopii emisyjnej (OES) pokazuje sekwencję pojawiania się linii emisyjnych Na, OH i Hα, gdy reżim przejściowy i podreżimy katodowego PDSE są osiągane wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia stałego.

Słowa kluczowe

EN

electrolysis; plasma-driven solution electrolysis; electric discharges in liquid; hydrogen; current-voltage characteristic; ballast resistor

PL

elektroliza; elektroliza plazmowa roztworu; wyładowanie elektryczne w cieczy; wodór; charakterystyka prądowo-napięciowa; rezystor balastowy

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 9
• Strony: 267--270
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bespalko Sergii

• Research and Innovation Centre Pro-Akademia, Innowacyjna Street 9/11, 95-050 Konstantynów Łódzki

• https://orcid.org/0000-0002-7542-5498

autor

Mizeraczyk Jerzy

• Gdynia Maritime University, Department of Marine Electronics, Morska Street 81/87, 81-225 Gdynia

• https://orcid.org/0000-0002-5173-3592

Bibliografia

• [1] Lamb, J.J., Hillestad, M., Rytter, E., Bock, R., Nordgård, A.S., Lien, K.M., Burheim, O.S., & Pollet, B.G. Chapter 3 - Traditional Routes for Hydrogen Production and Carbon Conversion; Jacob J. Lamb, Bruno G. Pollet, Eds.; In Hydrogen and Fuel Cells Primers, Hydrogen, Biomass and Bioenergy, Academic Press, (2020) pp. 21-53, https://doi.org/10.1016/B978-0-08- 102629-8.00003-7
• [2] Peterssen, F., Schlemminger, M., Lohr, C., Niepelt, R., Bensmann, A., Hanke-Rauschenbach, R., & Brendel, R. Hydrogen supply scenarios for a climate neutral energy system in Germany. International Journal of Hydrogen Energy. 47 (28) (2022), 13515-13523 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.098
• [3] Yan, Z.C.; Li, C.; Lin, W.H. Hydrogen generation by glow discharge plasma electrolysis of methanol solutions. Int. J. Hydrogen Energy, 34 (2009), 48–55. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.09.099
• [4] Toth, J.R.; Hawtof, R.; Matthiesen, D.; Renner, J.; Sankaran, R.M. On the non-faradaic hydrogen gas evolution from electrolytic reactions at the interface of a cathodic atmospheric-pressure microplasma and liquid water surface. J. Electrochem. Soc., 167 (2020), 116504. https://doi.org/10.1149/1945- 7111/aba15c
• [5] Bespalko, S.; Mizeraczyk, J. Overview of the Hydrogen Production by Plasma-Driven Solution Electrolysis. Energies, 15 (2022), 7508. https://doi.org/10.3390/en15207508
• [6] Hickling, A. Electrochemical Processes in Glow Discharge at the Gas-Solution Interface. In: Bockris, J.O., Conway, B.E. (eds) Modern Aspects of Electrochemistry No. 6 (1971) Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-3000-4_5
• [7] Kravchenko, A., Berlizova, S.A., Nesterenko, A.F., & Kublanovskii, V.S. On the Change in Properties of Water Subjected to Low-Temperature Plasma Electrolysis. High Energy Chemistry, 38 (2004), 333-337. https://doi.org/10.1023/B%3AHIEC.0000041345.07168.FD
• [8] Saksono, N., Harianingsih, Farawan, B., Luvita, V., & Zakaria, Z. Reaction pathway of nitrate and ammonia formation in the plasma electrolysis process with nitrogen and oxygen gas injection. Journal of Applied Electrochemistry, (2023), 1-9. https://doi.org/10.1007/s10800-023-01849-4
• [9] Alteri, G., Bonomo, M., Decker, F., & Dini, D. Contact Glow Discharge Electrolysis: Effect of Electrolyte Conductivity on Discharge Voltage. Catalysts. 10, (2020), 1104. https://doi.org/10.3390/CATAL10101104
• [10] Susanta K Sen Gupta and Rajshree Singh Plasma Sources Sci. Technol. 26 (2017), 015005 https://doi.org/10.1088/0963- 0252%2F26%2F1%2F015005