Production of hydrogen by alkaline electrolysis of water and energy solar

Hydrogen is a clean fuel, with high heating value (141.86 kJ / g at 25 ° C and 1 atm) and water is the combustion product. Electrolysis of water is a simple process in order to produce hydrogen. When performed by renewable energy sources such as hydro, wind and solar photovoltaic, it is considered a sustainable and advantageous process. The present study aimed to produce hydrogen by alkaline electrolysis of water coupled to a photovoltaic cell solar energy in Uberlandia (MG). The electrolytic cell was cylindric with approximate volume of 675 cm3 with separation plate between the electrodes. Experiments were performed with a DC supply voltage with graphite, stainless steel 304 and monel400 electrodes, combined with electrolytic solutions of sodium hydroxide (NaOH) in concentrations of 2.0, 3.5 and 5.0 mol/L. In this preliminary investigation, the maximum hydrogen production for graphite electrodes, stainless steel 304 and monel 400 were 4.86, 10.40 and 8.12 mL/min, respectively. Stainless steel 304 electrodes produced the highest hydrogen flow in the range of voltage and electrolyte concentration studied. Statistical design of the experimental data was performed and the conditions which maximized the hydrogen production were obtained with stainless steel electrodes with a voltage of 3.4 V and the concentration of 5.0 mol/L NaOH. In this way, experiments with photovoltaic plate were conducted with stainless steel electrodes 304 and NaOH 5.0 mol/L at 10 AM to 2 PM. In weather conditions studied, about 2 L of hydrogen were produced with average irradiance in the days of 808 W/m2. The total efficiency was around 1.12%. It was found that the cloudiness was the most important factor which interfered in the hydrogen flow. The gases produced on the cathode were analyzed by gas chromatography and were determined a percentage of hydrogen of 98.8 ± 0.4%, which showed that the separation plate between electrodes was effective to prevent the mixing of the gases from anode gas to the cathode. Therefore, the designed system was able to produces hydrogen with significant purity using a photovoltaic solar energy.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisDissertação (Mestrado)O hidrogênio é um combustível limpo, com alto poder calorífico superior (141,86 kJ/g a 25oC e 1 atm) e apresenta apenas água como produto de combustão. A eletrólise da água é um processo relativamente simples para produção de hidrogênio e, quando realizada por fontes de energia renováveis, como a hidráulica, a eólica e a solar fotovoltaica, é considerada um processo sustentável e vantajoso. Por isso, o presente trabalho teve como objetivo estudar a produção de hidrogênio por eletrólise alcalina da água e energia solar fotovoltaica nas condições meteorológicas de Uberlândia (MG). Para tanto, foi projetada uma célula eletrolítica no formato cilíndrico, de volume aproximado de 675 cm3, com uma placa de separação entre os eletrodos. Inicialmente, testes de bancada foram realizados com uma fonte de tensão de corrente contínua a partir de eletrodos de grafite, aço inox 304 e monel 400, combinados com soluções eletrolíticas de hidróxido de sódio (NaOH) nas concentrações de 2,0, 3,5 e 5,0 mol/L. Dessa investigação preliminar, as máximas produções de hidrogênio encontradas para os eletrodos de grafite, aço inox 304 e monel 400 foram 4,86, 10,40 e 8,12 mL/min, respectivamente. Verificou-se que os eletrodos de aço inox 304 apresentaram as maiores vazões de hidrogênio na faixa de tensões e concentrações de eletrólito estudadas. Após tratamento estatístico das informações experimentais, verificou-se que as condições que maximizaram a produção de hidrogênio eram obtidas com eletrodos de aço inox submetidos a uma tensão elétrica de 3,4 V e a concentração de NaOH de 5,0 mol/L. Portanto, os experimentos com a placa fotovoltaica foram conduzidos com os eletrodos de aço inox 304 e NaOH a 5,0 mol/L das 10h às 14h. Nas condições meteorológicas estudadas, foram produzidos cerca de 2 L de hidrogênio em dias com irradiância média de 808 W/m2. A eficiência total nesses dias foi em torno de 1,12%. Verificou-se que a nebulosidade foi o fator que mais interferiu na vazão de hidrogênio. Os gases produzidos no cátodo foram analisados em cromatografia gasosa e foram encontrados percentuais de hidrogênio de 98,8 ± 0,4%, o que mostra que a placa de separação entre os eletrodos foi eficaz para evitar que os gases do ânodo se misturassem com os do cátodo. Por fim, concluiu-se que o sistema projetado foi capaz de produzir hidrogênio com pureza significativa por meio da energia solar fotovoltaica