SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON
A lot of methods of sustainable hydrogen production are based on water dissociation specified with photo, thermal or chemical influence. The produced hydrogen can be used for generation of electrical energy with help of fuel cell. Similar system was created on the basis of porous silicon (PS). The s...
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/144 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103036593537024 |
|---|---|
| author | Manilov, A. Sebalо, O. |
| author_facet | Manilov, A. Sebalо, O. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. Manilov",
"institution": "Institute of High Technologies, Taras Shevchenko National University of Kyiv"
},
{
"author": "O. Sebalо",
"institution": "Institute of High Technologies, Taras Shevchenko National University of Kyiv"
}
] |
| author_sort | Manilov, A. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:11Z |
| description | A lot of methods of sustainable hydrogen production are based on water dissociation specified with photo, thermal or chemical influence. The produced hydrogen can be used for generation of electrical energy with help of fuel cell. Similar system was created on the basis of porous silicon (PS). The surface of PS is fully hydrogenated. During the interaction of PS with water, molecular H2 is produced. It is explained with water dissociation and destruction of SiHx bonds on PS surface. Kinetics of the chemical reaction is nonlinear. The corresponding energy generation in the fuel cell is also irregular. The produced power cannot be directly used for supply of electronic devices. In this article the method is proposed that will provide stable hydrogen production in the described system.
First, the formula was derived that described the chemical reaction kinetics of PS fixed mass portion with water. It was based on fit of the previously obtained experimental curves of hydrogen release kinetics for PS powders in H2O:C2H5OH:NH3 (10%) solution. Ethanol supported better wettability of the powders. Ammonia was used as catalyst.
The next step was to define the function that described the kinetics of hydrogen release when feeding PS to the reaction chamber at a certain time interval. The calculation was made for the following modes of feeding the powder into the reaction chamber:
feeding a fixed mass of the powder through the same time intervals;
feeding a fixed mass of the powder at different time intervals;
feeding the powder through the same time intervals with a periodic change in the mass of the portion.
The batch feed of PS powder into the reaction chamber makes possible to receive linear kinetics of the hydrogen production, when the time interval is about 1 min or it is growing in time. Connection of the reaction chamber to polymer electrolyte fuel cell will ensure the stable mode of power generation. The produced power reaches 0.15 W for 1 mg in the one portion of PS. Periodic change in the mass of the portion as well as long time intervals result in nonlinear behavior of the kinetics.
The rate of hydrogen production grows with an increase in mass of the portion. The kinetics of the reaction remains linear, providing the amount of water significantly exceeds the amount of reacting silicon and the reagents are well mixed. Under these conditions, a stable level of power at the output of the fuel cell is maintained. It makes possible to use the described hydrogen system for supplying low-power electronic devices |
| first_indexed | 2025-07-17T11:36:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
КОМПЛЕКСНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВДЕ ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 16
УДК 620.92
МОДЕЛЮВАННЯ СТАБІЛЬНОГО РЕЖИМУ РОБОТИ СИСТЕМИ ВОДНЕВОЇ
ЕНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВІ ПОРИСТОГО КРЕМНІЮ
А.І. Манілов, кандидат фізико-математичних наук, О.П. Себало, студентка ОКР.
Інститут високих технологій, Київський національний університет імені Тараса Шевченка
01033 Київ, вул. Володимирська, 64
Досліджено систему водневої енергетики, яка складається з джерела водню, що працює за рахунок реакції гідролізу пори-
стого кремнію, та низькотемпературного паливного елементу. Отримано аналітичні залежності, які описують кінетику
виділення водню при різних способах змішування реагентів. Розраховано режим подачі пористого кремнію у реакційну ка-
меру, що дозволяє отримати стабільний режим генерації електричної енергії на виході досліджуваної системи. Бібл. 11,
рис. 5.
Ключові слова: воднева енергетика, пористий кремній, джерело водню.
SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM
BASED ON POROUS SILICON
A. Manilov, candidate of physical and mathematical sciences, О. Sebalo, MSc student.
Institute of High Technologies, Taras Shevchenko National University of Kyiv
01033, 64 Volodymyrska Street, Kyiv, Ukraine.
The hydrogen energy system is studied, which consists of a hydrogen source that works by the hydrolysis reaction of porous silicon
and a low-temperature fuel cell. Analytical dependencies describing the kinetics of hydrogen production are obtained for various
methods of mixing reagents. The method of supplying porous silicon to the reaction chamber is calculated, which makes possible to
obtain a stable mode of generating electric energy at the output of the explored system. References 11, figures 5.
Keywords: hydrogen energy, porous silicon, hydrogen source.
А.І. Манілов
A. Manilov
Відомості про автора: науковий співробіт-
ник Інституту високих технологій Київського
національного університету ім. Т. Шевченка.
Освіта: Київський національний університет
ім. Т. Шевченка, спеціальність «Прикладна
фізика».
Наукова діяльність: воднева енергетика,
сонячна енергетика, хімічні сенсори.
Публікації: 42.
Патенти: 3.
ORCID: 0000-0003-2225-2754
Контакти: тел. +38 (044) 521-32-35
e-mail: anmanilov@univ.kiev.ua
Information about the author: research assis-
tant in Institute of High Technologies of Taras
Shevchenko National University of Kyiv.
Education: Taras Shevchenko National Uni-
versity of Kyiv, with a degree on applied phys-
ics.
Research area: hydrogen energy, solar energy,
chemical sensors.
Publications: 42.
Patents: 3.
ORCID: 0000-0003-2225-2754
Contacts: phone +38 (044) 521-32-35
e-mail: anmanilov@univ.kiev.ua
© А.І.Манілов, О.П.Себало, 2018
КОМПЛЕКСНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВДЕ ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 17
О.П. Себало
O. Sebalо
Відомості про автора: студентка ОКР,
магістр факультету радіофізики, електроніки
та комп'ютерних систем Київського націо-
нального університету імені Тараса Шевчен-
ка.
Освіта: Київський національний університет
ім. Т. Шевченка, спеціальність «Прикладна
фізика».
Наукова діяльність: воднева енергетика.
Публікації: 1.
ORCID: 0000-0002-5585-2409
Information about the author: MSc student,
Faculty of Radio Physics, Electronics and
Computer Systems, Taras Shevchenko National
University of Kyiv.
Education: Taras Shevchenko National Uni-
versity of Kyiv, applied physics.
Research area: hydrogen energy.
Publications: 1.
ORCID: 0000-0002-5585-2409
Вступ. Концепція водневої енергетики ба-
зується на застосуванні Н2 як проміжного енер-
гоносія. Відповідно, досліджуються методи ви-
робництва, збереження, транспортування водню і
його перетворення у теплову або електричну
енергію [1].
Система водневої енергетики зазвичай є
поєднанням джерела Н2 та генератора енергії, що
працює за рахунок окислення водню. Джерелом
може бути накопичувач (балон зі стисненим або
зрідженим газом, гідрид металу, адсорбційний
накопичувач тощо) або продукт хімічної реакції
(конверсії органічного палива, дисоціації води і
т. п.). Енергія може вироблятися за рахунок пря-
мого (у турбінах, двигунах) або каталітичного (у
водневих плитах, системах обігріву) спалювання
газу, а також електролітичного окислення у па-
ливних елементах. Останній метод є найбільш
перспективним для застосувань у водневому
транспорті та побутових приладах [2].
Одним з класів джерел водню є системи, що
працюють за рахунок реакції гідролізу. Для цього
застосовуються неорганічні речовини, потенціал
відновлення яких при певному рН менше, ніж
системи H+/H2. Під час взаємодії матеріалу з во-
дою формується оксид (гідроксид) та молекуляр-
ний водень [3]. Поєднання такого джерела з па-
ливним елементом дає змогу сформувати систе-
му живлення автономної електричної системи,
що працює на засадах водневої енергетики [4].
Перспективним матеріалом для гідролітич-
ного джерела водню є пористий кремній (ПК) [5–
7]. На відміну від таких конкурентів як алюміній
чи кристалічний Si, ПК містить водень у своєму
хімічному складі. Під час взаємодії ПК з водою
утворюється молекулярний H2. Це пояснюється
дисоціацією води і руйнуванням зв'язків SiHx на
поверхні матеріалу. Питомий вихід водню під час
реакції анодного ПК може в 1,5 рази переви-
щувати вихід при застосуванні порошку кри-
сталічного кремнію. Крім того, реакція ПК інтен-
сивно проходить вже при кімнатній температурі і
не потребує нагрівання чи перемішування [7–8].
Прості системи, що працюють з джерелами
водню на основі ПК, мають суттєвий недолік.
Хімічна реакція проходить нелінійно, її швид-
кість зменшується зі зменшенням кількості реак-
тиву. Відповідно, енергія у паливному елементі
генерується нерівномірно. Вироблена у такий
спосіб потужність не може безпосередньо вико-
ристовуватися для живлення електронних при-
строїв [9–10].
Отже, необхідно визначити режим роботи
системи, який забезпечить стабільне живлення
пристрою користувача на виході паливного еле-
менту. Раніше було запропоновано вирішення
проблеми шляхом застосування кіл електричної
стабілізації [10]. Але це призводить до додатко-
вих енергетичних втрат. Більш перспективним
вбачається «хімічне» рішення, що застосовуєть-
ся у водневих системах на основі спалювання
органічного палива (fuel processors) [11]. В цій
статті будуть визначені параметри джерела вод-
ню на основі ПК, які дозволять забезпечити рів-
номірне виділення Н2 і, відповідно, стабільну
КОМПЛЕКСНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВДЕ ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 18
електричну потужність на виході паливного
елементу.
Методи розрахунку. Розрахунок вико-
нувався у два етапи. Спочатку було запропонова-
но рівняння кривої, що описує кінетику виділен-
ня Н2 при реакції фіксованої порції пористого
кремнію (ПК) з водою. Це досягалось шляхом
апроксимації експериментальних даних. Після
цього моделювався процес подачі реагенту через
різні проміжки часу. Попередньо отримане
апроксимаційне рівняння дало змогу визначити
формулу розрахунку швидкості виділення водню
при порційній подачі порошку ПК.
Хімічна реакція води з ПК може бути пред-
ставлена схемою:
2
2 2 2
(2 )
2 .
2
xSiH y H O
x
SiO yH O H
(1)
Експериментальні криві кінетики виділення
водню було отримано для порошків ПК, виготов-
лених методом хімічного або анодного травлення
кристалічного кремнію р-типу [6]. Виділення
водню зі зразків ініціювалась розчином
H2O:C2H5OH:NH3 (10%) у співвідношенні 5:1:1 за
об'ємом. Оскільки мольна кількість аміаку була
значно менша за мольну кількість кремнію, то він
виступав каталізатором, а не реагентом. Етило-
вий спирт сприяв кращій змочуваності зразків.
Найкращі показники виділення Н2 продемон-
стрував ПК, виготовлений за анодною техно-
логією. Тому за основу для подальшого ро-
зрахунку було взято отримані на ньому експери-
ментальні дані. В той же час, закономірності
виділення водню при реакції інших типів по-
рошків описуються аналогічними рівняннями,
відрізняючись лише кількісними показниками.
Тобто формули, виведені для анодного ПК, так
само описують результати для інших зразків.
Експериментальні точки та результати
апроксимації зображено на рис. 1. Функція, за-
пропонована для опису кінетики виділення вод-
ню, має такий вигляд:
( )
t
V t
a b t c t
, (2)
де V – об’єм виділеного під час реакції водню, t –
час, a,b,c – коефіцієнти рівняння, які залежать від
типу порошку ПК.
Такий вигляд апроксимаційної кривої най-
більш точно описує експериментальну залеж-
ність. Характерні для опису швидкості хімічних
реакцій степеневі формули давали помітні відхи-
лення поблизу нуля та при великих значеннях
часу, тому не застосовувалися. Ці відхилення
можна пояснити гетерогенністю реакції ПК з во-
дою, в той час як класичні хімічні формули опи-
сують гомогенні реакції.
Рис. 1. Експериментальні значення кінетики виділення
водню для анодного ПК (точки) і апроксимаційна крива
(пунктирна лінія).
Fig. 1. Experimental values of hydrogen production kinetics
for porous Si prepared by anodic etching (points) and ap-
proximation curve (dashed line).
Наступним кроком було визначення функції,
яка описує кінетику виділення водню при подачі
ПК у реакційну камеру з певним інтервалом.
Нехай порція ПК із фіксованою масою до-
дається у водний розчин через однакові проміж-
ки часу Δt. Реакція починається у системі відліку
К (рис. 2). Виділення водню описується форму-
лою (2). Момент подачі нової порції порошку
можна вважати початковою точкою нової систе-
ми відліку K′. Тоді у системі координат K′ ми
отримаємо таку ж залежність V(t) як і в системі
К, але з початком відліку у точці (Δt, V(Δt))
відносно К-тої системи. Аналогічним способом
вводимо систему координат K″ та наступні (див.
рис. 2).
КОМПЛЕКСНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВДЕ ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 19
Рис. 2. Моделювання кінетики виділення водню при по-
дачі ПК у реакційну камеру з інтервалом t.
Fig. 2. Simulation of hydrogen production kinetics, when
porous Si is added into the reaction chamber at interval of
Δt.
Розпишемо рівняння функції для проміжків:
0 ( ) 0,V V t t , (3)
1 ( ) ( ) ,V V t V t t t t , (4)
2 ( ) ( ) ( 2 ) 2 ,V V t V t t V t t t t ,(5)
( ) ( ) ( 2 ) ...
( ) , .
nV V t V t t V t t
V t n t t n t
(6)
Тобто, загальну функцію, яка опише об’єм
виділеного водню через проміжок часу t за умови
k подач ПК, можна представити сумою:
0
( )
k
k
n
V V t n t
. (7)
Для того, щоб всі проміжки починались з ну-
ля, вираз було помножено на функцію Хевісайда:
0
( ) ( )
k
k
n
V V t n t t n t
. (8)
Проте функція Хевісайда має розрив у точці
t n t , тому її було довизначено у цій точці,
використавши розгалуження:
0
, ( ),
( ) ( ),
k
k
n
V If t n t V t n t
else V t n t t n t
(9)
де Vk – об’єм виділеного водню через проміжок
часу t, k – кількість подач пористого кремнію че-
рез проміжок t, ( )V t n t – функція, визначена
рівнянням (2).
Для того, щоб побудувати графік залежності
швидкості виділення водню від часу при реакції
ПК з водою, візьмемо похідну від функції (2):
2
12
.
dV t
dt a bt c t
c
b t
t
a c t bta c t bt
(10)
Тоді миттєву швидкість виділення водню при
порційній подачі ПК можна описати такою фор-
мулою:
0
( ) ( )
k
k
n
dV dV
t n t t n t
dt dt
. (11)
Формули (9) і (11) дозволяють розрахувати
параметри подачі порошку у реакційну камеру,
що визначають сталу швидкість виділення водню.
Результати моделювання. Розрахунок було
проведено для таких режимів подачі порошку ПК
у реакційну камеру:
- подача фіксованої маси порошку через од-
накові інтервали часу;
- подача фіксованої маси порошку через різні
інтервали часу;
- подача порошку через однакові інтервали
часу з періодичною зміною маси порції.
Найкращі результати отримано для рівномір-
ної подачі 1 мг порошку з інтервалом порядку
1 хв (рис. 3а), та при подачі цієї ж порції зі зрос-
таючим кроком у часі (рис. 3б). Зазначені випад-
ки відрізняються початковою інтенсивністю ге-
нерації водню, що є зменшеною при рівномірній
та підвищеною при нерівномірній подачі порош-
ку. Але кінетика виділення водню протягом
значного періоду часу (60 хв) є лінійною. Збіль-
шення маси порції ПК призводить до відповідно-
го зростання об’єму виділеного Н2, причому
кінетика реакції залишається лінійною за умови,
що кількість води значно перевищує кількість
реагуючого кремнію, а також забезпечується пе-
ремішування реагентів. Тобто зазначені режими
реакції якнайкраще відповідають умовам
стабільного живлення водневої системи.
КОМПЛЕКСНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВДЕ ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 20
а б
Рис. 3. Кінетика виділення водню при порційній подачі ПК: (а) 1 мг порошку з інтервалом 1 хв; (б) 1 мг порошку
через експоненційно зростаючі проміжки часу.
Fig. 3. Kinetics of hydrogen release during the batch feed of porous Si: (a) 1 mg of powder at interval of 1 min; (b) 1 mg of
powder through exponentially increasing intervals of time.
а б
Рис. 4. Кінетика виділення водню при порційній подачі ПК: (а) з інтервалом 2 хв і чергуванням маси порошку у пор-
ції 1 мг / 0.5 мг; (б) 1 мг порошку з інтервалом 10 хв.
Fig. 4. Kinetics of hydrogen release during batch feed of porous Si: (a) at interval of 2 min and alternating mass of powder in
a portion of 1 mg / 0.5 mg; (b) 1 mg of powder at interval of 10 min.
В той же час, кінетика виділення водню у
випадку періодичної зміни маси порції порошку
стає нелінійно зростаючою (рис. 4а). Додавання
порошку з інтервалом більше 1 хв призводить до
виникнення «сходинок» на кривій кінетики
(рис. 4б). Тому останні режими подачі порошку не
є оптимальними для застосування у водневих си-
стемах.
Розрахунок генерації електричної енергії бу-
ло проведено для типової водневої системи, що
складається з камери, де відбувається хімічна
реакція ПК з водою, та паливного елементу з
полімерним електролітом [10].
Потужність, яку забезпечуватиме така водне-
ва система, можна розрахувати за формулою:
Р ККД q , (12)
де ККД – коефіцієнт корисної дії полімерного
паливного елементу (має величину порядку 50%),
– швидкість виділення водню, q – питома теп-
лота окислення Н2 (117 МДж /кг).
Швидкість рівномірного виділення Н2, ро-
зрахована при подачі 1 мг ПК з інтервалом у 1 хв,
становить 1,6 мл /хв. За таких умов, в описаній
водневій системі буде генеруватися електрична
потужність 0,144 Вт. Збільшення маси ПК у пор-
ції буде призводити до відповідного зростання
КОМПЛЕКСНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВДЕ ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 21
вихідної потужності. Рівномірність генерації
енергії при цьому зберігається. Тобто, така си-
стема може застосовуватися для живлення мало-
потужних електронних пристроїв.
Висновки. Виділення водню за рахунок
хімічної взаємодії пористого кремнію з водою
стає рівномірним при порційному додаванні по-
рошку ПК у реакційну камеру з інтервалом у 1 хв
або зі зростаючим кроком у часі. Швидкість
виділення Н2 досягає 1,6 мл /хв при застосуванні
1 мг анодного мезо-ПК у порції. Це забезпечує
стабільний рівень потужності 0,144 Вт на виході
низькотемпературного паливного елементу.
Швидкість виділення водню зростає зі
збільшенням маси порції ПК. Кінетика реакції
при цьому залишається лінійною за умови, що
кількість води значно перевищує кількість ре-
агуючого кремнію, а також забезпечується пе-
ремішування реагентів. За таких умов зберігаєть-
ся стабільний рівень потужності на виході па-
ливного елементу. Це дає можливість застосу-
вання відповідної водневої системи для живлення
малопотужних електронних пристроїв.
1. L.M. Gandía, G. Arzamendi, P.M. Diéguez, Renewa-
ble Hydrogen Technologies: Production, Purification, Storage,
Applications and Safety. – Elsevier, 2013. – 472 p.
2. A. Godula-Jopek, W. Jehle, J. Wellnitz, Hydrogen Stor-
age Technologies: New Materials, Transport, and Infrastructure. –
Wiley-VCH Verlag & Co: Weinheim, Germany, 2012. – 264 p.
3. U. Eberle, M. Felderhoff, F. Schuth, Chemical and
Physical Solutions For Hydrogen Storage // Angew. Chem. Int.
Ed. – 2009. – Vol. 48. – P. 6608–6630.
4. Kirubakaran A., Jain Sh., Nema R.K., A Review On
Fuel Cell Technologies and Power Electronic Interface
// Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. –
Vol. 13, N 9. – P. 2430–2440.
5. Lysenko V., Bidault F., Alekseev S., Zaitsev V.,
Barbier D., Turpin Ch., Geobaldo F., Rivolo P., Garrone E.
Study Of Porous Silicon Nanostructures As Hydrogen Reser-
voirs // The Journal Of Physical Chemistry B. – 2005. –
Vol. 109. – P. 19711–19718.
6. A.I. Manilov, S.V. Litvinenko, S.A. Alekseev,
G.V. Kuznetsov, V.A. Skryshevsky, Use Of Powders and Com-
posites Based On Porous and Crystalline Silicon In The Hydro-
gen Power Industry // Ukrainian Journal of Physics. – 2010. –
Vol. 55, N 8. – P. 929–936.
7. А.И. Манилов. Перспективы применения кремни-
евого сырья в водородной энергетике // Возобновляемая
энергетика. – 2014. – Т. 3. – С. 18–24.
8. Auner N. Silicon As An Intermediary Between Re-
newable Energy and Hydrogen // Deutsche Bank Research. –
2004. – 11. – P. 1–12.
9. A.I. Manilov, Problems Of Application Of Porous
Silicon To Chemical and Photocatalytic Productions Of Hydro-
gen // Ukrainian Journal of Physics. – 2016. – V. 61, N 3. –
p. 233–239.
10. A.I. Manilov, The Principles Of Power Stabilization
For Hydrogen Energy Systems Based On Interaction Of Na-
nopowders With Water // Proceedings of the XII International
Conference «Electronics and Applied Physics». – 2016. – p. 124.
11. Qi A., Peppley B., Karan K. Integrated Fuel Proces-
sors For Fuel Cell Application: A review // Fuel Processing
Technology. – 2007. – Vol. 88. – P. 3–22.
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНОГО РЕЖИМА РА-
БОТЫ СИСТЕМЫ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА
ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
А.И. Манилов, О.П. Себало.
Институт высоких технологий, Киевский национальный
университет им. Т. Шевченко
01033 г. Киев, ул. Владимирская, 64.
Исследована система водородной энергетики, которая со-
стоит из источника водорода, работающего за счет реак-
ции гидролиза пористого кремния, и низкотемпературного
топливного элемента. Получены аналитические зависимо-
сти, описывающие кинетику выделения водорода при раз-
личных способах смешивания реагентов. Рассчитан режим
подачи пористого кремния в реакционную камеру, позволяю-
щий получить стабильный режим генерации электрической
энергии на выходе исследуемой системы. Библ. 11, рис. 5.
Ключевые слова: водородная энергетика, пористый крем-
ний, источник водорода.
REFERENCES
1. Gandía L.M., Arzamendi G., Diéguez P.M. Renewable
Hydrogen Technologies: Production, Purification, Storage, Ap-
plications and Safety. – Elsevier, 2013. – 472 p.
2. Godula-Jopek A., Jehle W., Wellnitz J. Hydrogen Storage
Technologies: New Materials, Transport, and Infrastructure. –
Wiley-VCH Verlag & Co: Weinheim, Germany, 2012. – 264 p.
3. Eberle U., Felderhoff M., Schuth F. Chemical and
Physical Solutions for Hydrogen Storage // Angewandte Chemie
International Edition. – 2009. – Vol. 48. – P. 6608–6630.
4. Kirubakaran A., Jain Sh., Nema R.K. A review on fuel
cell technologies and power electronic interface // Renewable
and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – Vol. 13, N 9. – P.
2430–2440.
5. Lysenko V., Bidault F., Alekseev S., Zaitsev V., Barb-
ier D., Turpin Ch., Geobaldo F., Rivolo P., Garrone E. Study of
Porous Silicon Nanostructures as Hydrogen Reservoirs // The
Journal of Physical Chemistry B. – 2005. – Vol. 109. – P.
19711–19718.
6. Manilov A.I., Litvinenko S.V., Alekseev S.A., Kuz-
netsov G.V., Skryshevsky V.A. Use of powders and composites
КОМПЛЕКСНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ ВДЕ ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 2 22
based on porous and crystalline silicon in the hydrogen power
industry // Ukrainian Journal of Physics. – 2010. – Vol. 55, N 8.
– P. 929–936.
7. Manilov A.I. Silicon raw material application pro-
spects in hydrogen energy // Vidnovluvana energetika. – 2014. –
Vol. 3. – P. 18–24.
8. Auner N. Silicon as an intermediary between renewa-
ble energy and hydrogen // Deutsche Bank Research. – 2004. –
11. – P. 1–12.
9. Manilov A.I. Problems of application of porous silicon
to chemical and photocatalytic productions of hydrogen // Ukrain-
ian Journal of Physics. – 2016. – V. 61, N 3. – P. 233–239.
10. Manilov A.I. The principles of power stabilization for
hydrogen energy systems based on interaction of nanopowders
with water // Proceedings of the XII International Conference
«Electronics and Applied Physics». – 2016. – P. 124.
11. Qi A., Peppley B., Karan K. Integrated fuel processors
for fuel cell application: A review // Fuel Processing Technolo-
gy. – 2007. – Vol. 88. – P. 3–22.
SYNOPSES
A lot of methods of sustainable hydrogen production are
based on water dissociation specified with photo, thermal or
chemical influence. The produced hydrogen can be used for
generation of electrical energy with help of fuel cell. Similar
system was created on the basis of porous silicon (PS). The sur-
face of PS is fully hydrogenated. During the interaction of PS
with water, molecular H2 is produced. It is explained with water
dissociation and destruction of SiHx bonds on PS surface. Kinet-
ics of the chemical reaction is nonlinear. The corresponding
energy generation in the fuel cell is also irregular. The produced
power cannot be directly used for supply of electronic devices.
In this article the method is proposed that will provide stable
hydrogen production in the described system.
First, the formula was derived that described the chemical
reaction kinetics of PS fixed mass portion with water. It was
based on fit of the previously obtained experimental curves of
hydrogen release kinetics for PS powders in H2O:C2H5OH:NH3
(10%) solution. Ethanol supported better wettability of the pow-
ders. Ammonia was used as catalyst.
The next step was to define the function that described the
kinetics of hydrogen release when feeding PS to the reaction
chamber at a certain time interval. The calculation was made for
the following modes of feeding the powder into the reaction
chamber:
- feeding a fixed mass of the powder through the same
time intervals;
- feeding a fixed mass of the powder at different time in-
tervals;
- feeding the powder through the same time intervals with
a periodic change in the mass of the portion.
The batch feed of PS powder into the reaction chamber
makes possible to receive linear kinetics of the hydrogen produc-
tion, when the time interval is about 1 min or it is growing in
time. Connection of the reaction chamber to polymer electrolyte
fuel cell will ensure the stable mode of power generation. The
produced power reaches 0.15 W for 1 mg in the one portion of
PS. Periodic change in the mass of the portion as well as long
time intervals result in nonlinear behavior of the kinetics.
The rate of hydrogen production grows with an increase in
mass of the portion. The kinetics of the reaction remains linear,
providing the amount of water significantly exceeds the amount
of reacting silicon and the reagents are well mixed. Under these
conditions, a stable level of power at the output of the fuel cell is
maintained. It makes possible to use the described hydrogen
system for supplying low-power electronic devices.
Статья надійшла до редакції 28.03.2018
Остаточна версія 11.06.18
|
| id | veorgua-article-144 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:01:49Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/0a/433f61f448c0a4bf27905e27fae87e0a.pdf |
| spelling | veorgua-article-1442026-07-18T06:32:11Z SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНОГО РЕЖИМА РА-БОТЫ СИСТЕМЫ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ МОДЕЛЮВАННЯ СТАБІЛЬНОГО РЕЖИМУ РОБОТИ СИСТЕМИ ВОДНЕВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВІ ПОРИСТОГО КРЕМНІЮ Manilov, A. Sebalо, O. hydrogen energy porous silicon hydrogen source воднева енергетика пористий кремній джерело водню водородная энергетика пористый кремний источник водорода A lot of methods of sustainable hydrogen production are based on water dissociation specified with photo, thermal or chemical influence. The produced hydrogen can be used for generation of electrical energy with help of fuel cell. Similar system was created on the basis of porous silicon (PS). The surface of PS is fully hydrogenated. During the interaction of PS with water, molecular H2 is produced. It is explained with water dissociation and destruction of SiHx bonds on PS surface. Kinetics of the chemical reaction is nonlinear. The corresponding energy generation in the fuel cell is also irregular. The produced power cannot be directly used for supply of electronic devices. In this article the method is proposed that will provide stable hydrogen production in the described system. First, the formula was derived that described the chemical reaction kinetics of PS fixed mass portion with water. It was based on fit of the previously obtained experimental curves of hydrogen release kinetics for PS powders in H2O:C2H5OH:NH3 (10%) solution. Ethanol supported better wettability of the powders. Ammonia was used as catalyst. The next step was to define the function that described the kinetics of hydrogen release when feeding PS to the reaction chamber at a certain time interval. The calculation was made for the following modes of feeding the powder into the reaction chamber: feeding a fixed mass of the powder through the same time intervals; feeding a fixed mass of the powder at different time intervals; feeding the powder through the same time intervals with a periodic change in the mass of the portion. The batch feed of PS powder into the reaction chamber makes possible to receive linear kinetics of the hydrogen production, when the time interval is about 1 min or it is growing in time. Connection of the reaction chamber to polymer electrolyte fuel cell will ensure the stable mode of power generation. The produced power reaches 0.15 W for 1 mg in the one portion of PS. Periodic change in the mass of the portion as well as long time intervals result in nonlinear behavior of the kinetics. The rate of hydrogen production grows with an increase in mass of the portion. The kinetics of the reaction remains linear, providing the amount of water significantly exceeds the amount of reacting silicon and the reagents are well mixed. Under these conditions, a stable level of power at the output of the fuel cell is maintained. It makes possible to use the described hydrogen system for supplying low-power electronic devices Исследована система водородной энергетики, которая состоит из источника водорода, работающего за счет реакции гидролиза пористого кремния, и низкотемпературного топливного элемента. Получены аналитические зависимости, описывающие кинетику выделения водорода при различных способах смешивания реагентов. Рассчитан режим подачи пористого кремния в реакционную камеру, позволяющий получить стабильный режим генерации электрической энергии на выходе исследуемой системы. Досліджено систему водневої енергетики, яка складається з джерела водню, що працює за рахунок реакції гідролізу пористого кремнію, та низькотемпературного паливного елементу. Отримано аналітичні залежності, які описують кінетику виділення водню при різних способах змішування реагентів. Розраховано режим подачі пористого кремнію у реакційну камеру, що дозволяє отримати стабільний режим генерації електричної енергії на виході досліджуваної системи. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2018-06-18 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/144 Vidnovluvana energetika ; No. 2 (53) (2018): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 16-22 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2 (53) (2018): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 16-22 Відновлювана енергетика; № 2 (53) (2018): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 16-22 2664-8172 1819-8058 uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/144/105 Copyright (c) 2018 A. Manilov, O. Sebalо https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | hydrogen energy porous silicon hydrogen source Manilov, A. Sebalо, O. SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON |
| title | SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON |
| title_alt | МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНОГО РЕЖИМА РА-БОТЫ СИСТЕМЫ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ МОДЕЛЮВАННЯ СТАБІЛЬНОГО РЕЖИМУ РОБОТИ СИСТЕМИ ВОДНЕВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВІ ПОРИСТОГО КРЕМНІЮ |
| title_full | SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON |
| title_fullStr | SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON |
| title_full_unstemmed | SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON |
| title_short | SIMULATION OF STABLE OPERATION MODE FOR HYDROGEN ENERGY SYSTEM BASED ON POROUS SILICON |
| title_sort | simulation of stable operation mode for hydrogen energy system based on porous silicon |
| topic | hydrogen energy porous silicon hydrogen source |
| topic_facet | hydrogen energy porous silicon hydrogen source воднева енергетика пористий кремній джерело водню водородная энергетика пористый кремний источник водорода |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/144 |
| work_keys_str_mv | AT manilova simulationofstableoperationmodeforhydrogenenergysystembasedonporoussilicon AT sebaloo simulationofstableoperationmodeforhydrogenenergysystembasedonporoussilicon AT manilova modelirovaniestabilʹnogorežimarabotysistemyvodorodnojénergetikinaosnoveporistogokremniâ AT sebaloo modelirovaniestabilʹnogorežimarabotysistemyvodorodnojénergetikinaosnoveporistogokremniâ AT manilova modelûvannâstabílʹnogorežimurobotisistemivodnevoíenergetikinaosnovíporistogokremníû AT sebaloo modelûvannâstabílʹnogorežimurobotisistemivodnevoíenergetikinaosnovíporistogokremníû |