Johan Lesser Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas

Transkript

1 Vätgasproduktion med elektrolysör Johan Lesser Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas

2 Innehållsförteckning Sammanfattning...5 Summary Inledning Morphic Technologies Bakgrund Syfte Metod Teori Vätgasproduktion Vätgasutveckling på en elektrodyta Elektrolys av vatten Syrgasutveckling Elektrolysörer Introduktion till elektrolysörer Uppbyggnad Prestanda Dagens elektrolysörer Experiment Förstudie till experimenten Encelliga tester Ström/spänningskurva Syfte med experimentet Experimentuppställning Vätgasproduktion Syfte med experimentet Experimentuppställning Tvåcellig elektrolysörstack Förstudie till konstruktion Konstruktionslösning Experiment gjorda på tvåcellig elektrolysörstack Experimentplan Ström/spänningskurva och spänningsfördelning Vätgasproduktion, väteperoxidproduktion och verkningsgrad Felanalys av experimenten Ström/spänningkurva Spänningsfördelning på cellstacken Vätgas-, syrgas- och väteperoxidproduktion Effekt och verkningsgrad Resultat Resultat från encellig testenhet Ström/Spänningskurva Vätgasproduktion Resultat från tvåcelligstack Ström/Spänningskurva och spänningsfördelning Vätgasproduktion, väteperoxidproduktion och verkningsgrad

3 5 Diskussion Experimenten Encelliga tester Tvåcelligstack Ekonomiska aspekter Förslag till framtida försök Slutsatser Förstudie och marknadsundersökning Experimenten U/I kurva Vätgasproduktion Spänningsfördelning Verkningsgrad Framtida tillverkning Avslutning Referenser Bilagor Intervjuer med elektrolysörtillverkare Specifikation från Proton Energy Specifikation från Hydrogenics

4 Förord Denna rapport är ett examensarbete på civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitet. Det har utförts mellan september 2007 och februari 2008 i Karlskoga hos Morphic Business Development. Ämnesvalet har jag gjort då jag är mycket intresserad av förnyelsebarenergi och då i synnerlighet bränsleceller. I maj 2007 gjorde jag ett besök hos Morphic i Karlskoga och fick några veckor efter besöket veta att jag hade fått ett examensarbete kring elektrolysörer. Arbetet har varit både av praktisk och teoretisk karaktär. Teorin behövde jag för att läsa in mig på ämnet en tid och även hämta information om vad som tidigare hade gjorts kring detta område. Det praktiska innefattade att bygga dels den encelliga testenheten och dels elektrolysörstacken samt göra mätningar på dessa. Det har varit väldigt lärorikt och spännande att göra denna undersökning och jag hoppas Morphic Business Development har nytta av de resultat som har framkommigt. Jag vill tacka Kurt, Olof och Alf och alla andra som jag har haft kontakt med på Morphic. Jag vill även rikta ett tack till Fredrik Ulinder för bra opponering, till Ronny Östin och Michael Sharp för deras hjälp med rapporten. Jag vill naturligtvis tacka alla klasskamrater och äldre- respektive yngrekursare på energiteknik, alla människor jag träffade på basåret och i nationerna på campus, för en spännande och rolig studietid i Umeå. Jag hoppas att läsaren finner rapporten intressant gärna utför de förslag som finns i kapitlet Förslag till framtida försök jag själv inte hann med. Trevlig läsning! Johan Lesser - Umeåstudent Karlskoga mars

5 Sammanfattning Vätgasproduktion sker idag till stor del med reformering, där metangas och vattenånga blandas vid hög temperatur och ger vätgas och kolmonoxid. En mer miljövänlig metod är elektrolys, om energikällorna är förnyelsebara. Till detta behövs en elektrolysör som utför elektrolys på vatten. Dagens elektrolysörer är kostsamma och därför vill Morphic Business Development utreda tänkbara alternativ i konstruktionen för att minska tillverkningskostnaderna. Under examensarbetet testades alternativa elektrodmaterial till elektrolysören och av den studien gjordes upptäckten att material X fungerar som elektrod på vätgassidan och XX fungerar bra på syrgassidan. Dessa nya material, X, som katod och XX som anod, har potentialen att sänka kostnaderna för elektrolysörer. I rapporten står detta X och XX för två material som har upptäckts fungera som elektroder. Morphic har beslutat att dessa inte skrivs ut i rapporten p.g.a. sekretessjäl. Experimenten som gjordes var på en encellig testenhet, där olika material provades ut, och på en tvåcellig elektrolysör stack. Under de encelliga experimenten togs en ström/spänningskurva fram för tre olika celler. Resultaten visade elektrolysörens typiska beteende, d.v.s. att strömmen ökade snabbt då aktiveringsenergin för vätgasproduktion är nådd i form av tillräckligt hög spänning över cellen. I databladet går det att avläsa vid vilken spänning som behövs för att tillverka vätgas. I samtliga tester började vätgas produceras vid 2 volt då det fanns 15 vikt % kaliumhydroxid i vattnet som pumpades in i cellen. Mätning av vätgasproduktion ger ytterligare en möjlighet att jämföra testcellerna sinsemellan. Vätgasproduktionskurvorna visade att cellen med nickelelektroder gav tre gånger mer vätgas efter en given tid och en given spänning än elektroder tillverkade av materialen X och XX. En tvåcellig elektrolysör undersöktes också. Ström/spänningskurva togs fram för denna stack, likaså hur spänningen fördelades över stacken. Mätningarna visade även där elektrolysörens typiska beteende och vätgas började produceras då det var kring 2 volt på varje cell. Spänningarna mellan cellerna skiljde sig åt med ca 0,1 volt. Produktionen av vätgas gav varierat resultat då det tog mellan 60 och 105 sekunder att generera 25 ml vätgas. På grund av dessa olika tider är den beräknade verkningsgraden mellan 38 och 57 %, med ett medel på 45 % efter tio försök. I dessa experiment var elektrolyten stillastående. Om elektrolyten hade cirkulerats hade gasen fått det lättare att lossna från elektrodytorna och komma i behållaren. Det är också möjligt att gas fastnade i stacken och då verkningsgraden beräknades utifrån den gas som hamnade i behållaren är verkningsgraden förmodligen högre. 5

6 Summary Hydrogen production today is mainly achieved by reacting methane gas and water vapour at high temperature to give hydrogen and carbon monoxide. Electrolysis of water to form hydrogen and oxygen may offer a more environmentally acceptable method, especially if the required electricity is obtained from renewable energy sources. Electrolysers are currently very expensive and Morphic Business Development suggested an investigation, in the form of a student project, to explore alternative construction techniques in order to reduce costs. A number of alternative electrode materials for the electrolysers were examined during this project and comparisons showed that material X functioned well as a cathode and material XX as an anode. (Further details on these materials are withheld due controversial reasons) Measurements were performed using both a single-cell-test unit and a two-cell electrolyzer stack. Current/voltage curves were obtained for three different cells with the aid of the single-cell. Behaviour typical of an electrolyzer was recorded in which the current which passed through the cell increased rapidly after a voltage high enough to initiate the generation of hydrogen was exceeded. The data obtained allows this threshold voltage to be identified. In all experiments the production of hydrogen started at an applied voltage of 2 volts using an electrolyte consisting of 15 weight % potassium hydroxide in water. The measurement of hydrogen produced provided another test of cell performance. The results of these experiments allowed comparisons between cells incorporating nickel electrodes and electrodes made of X and demonstrated that with nickel electrodes almost three times more hydrogen was produced for a given time and voltage than with the other material. A larger unit, comprising a two-cell electrolyzer stack, was also tested. Current/voltage curves measured for this electrolyzer once again showed the typical behaviour of an electrolyzer and hydrogen evolved when the cell voltage was around 2 volt. The two different cells showed a difference of about 0.1V in cell voltage. Production of hydrogen was, however, erratic and different times, ranging from 60 to 105 seconds, were required to fill a 25 ml collector with hydrogen. Because of this variation, efficiency was calculated to be %, with an average at 45 % for ten repetitions. Stationary electrolyte was employed for these measurements and it is likely that, had a circulation of liquid been used, hydrogen gas would have been more effectively removed from the stack and transported to the collector resulting in a somewhat higher value for the efficiency. 6

7 1 Inledning 1.1 Morphic Technologies Morphic bildades 1999 i Karlskoga med målsättningen att producera komponenter med ny teknik som skulle göra det möjligt att sänka kostnaderna ordentligt. Verksamhet bedrivs idag inom bränsleceller, vindkraft, vattenkraft och produktionsteknik. Inom bränslecellsverksamheten gör dotterbolaget Cell Impact flödesplattor, som är en viktig del i bränsleceller. Cell Impact använder patenterad teknik som bygger på att utsätta materialet för ett snabbt och högt tryck vid tillverkning av flödesplattorna. Inom vindkraftsområdet kan Morphic genom DynaWind leverera vindkraftverk på effekter på 1 och 3 MW. Utveckling pågår även kring mindre vindkraftverk. Dotterbolaget Finshyttan Hydro Power AB renoverar och underhåller vattenkraftverk i storleksordningen MW. Detta bolag gör också uppgraderingar av verken. Under produktionstekniksområdet gör Aerodyn fartygspropellrar. Tillverkning pågår också kring andra komponenter, som ovannämnda flödesplattor från CellImpact. Dotterbolaget Dynamis gör ett program som heter SensActive som kan plocka osorterade delar ur en lastpall, vilket gör materialhantering snabbare och billigare. Morphic Business Development är ett koncernövergripande bolag som bildades Där utvecklas och forskas kring nya affärsområden, t.ex. en ny typ av energisystem där vindkraft och bränsleceller kombineras. Koncernen har idag ca 100 anställda och B-aktien är registrerad på FirstNorth sedan Bakgrund Marknaden kring förnyelsebar energi ökar mycket idag. Tack vare Kyotoavtalet och handeln med utsläppsrätter drivs utvecklingen på kring förnyelsebara energikällor. FNs klimatpanel (IPCC) gav allmänheten en uppfattning om följderna av att fortsätta använda fossila bränslen i början av Denna panel fick tillsammans med f.d. amerikanska vice presidenten Al Gore Nobels fredspris samma år, vilket har gett förespråkare för förnyelsebar energi mer luft under vingarna. Det har även gett upphov till en s.k. grön trend bland allmänheten. Problemet med förnyelsebar energi från sol och vind är att variationerna i vädret gör dem till opålitliga källor. I samhällsdebatten idag har det nämnts väldigt lite om lagring av energi från förnyelsebara energikällor. För att ge en jämnare uteffekt från 7

8 t.ex. vindkraft är det möjligt att lagra överskottsenergin med hjälp av en elektrolysör. Elektrolysörer utför elektrolys på vatten för att bilda vätgas och syrgas. Vätgasen kan lagras och användas i en bränslecell när elbehovet ökar eller ge extra kraft när vindkraften inte räcker till. Tyvärr är elektrolysörer idag väldigt dyra och har verkningsgrader på omkring 60 %. Av allt väte som produceras idag är reformering med fossilgas det uteslutande vanligaste. På grund av detta förutspås att vätgasbilar kommer att bidra till ökad växthuseffekt jämfört med bensinbilar om vätet ursprungligen kommer från fossilgas. 1 Reaktionen sker på följande sätt, enligt reaktion (1): 2 CH 4 + H 2 O 3H 2 + CO (1) (Metangas plus vattenånga ger vätgas och kolmonoxid) På grund av detta är det önskvärt att vätgasproduktion med elektrolysörer där energikällorna är förnyelsebara kommer igång snarast möjligt. Endast 4 % av vätet produceras idag genom elektrolys. Vidare använts endast 1 % av det producerade vätet i energisammanhang. Ca 50 % av allt producerat väte använts till att göra ammoniak. En annan intressant siffra är att energiåtgången vid vätgasproduktionen är endast 2 % av hela världens energikonsumtion Syfte Morphic Business Development vill ta fram en elektrolysör som är effektiv och som kan tillverkas till ett rimligt pris. Examensarbetets syfte är att undersöka de ingående komponenterna i en elektrolysör och ta fram en konstruktionslösning för en effektiv och billigare elektrolysör än dagens. 1.4 Metod Litteraturstudier använts för att ta fram grundläggande fakta om elektrolys och elektrolysörer. Därefter görs efterforskningar hos företag och patentdatabaser om befintlig teknik och kostnader. För att ta fram elektroder använts Cell Impacts teknik att tillverka flödesplattor. Olika material testas i labbmiljö för att hitta elektroder som har en god balans mellan kostnad och effektiv vätgasproduktion. I examensarbetes slutskede byggs och utvärderas en prototyp med två eller fler celler i stacken. Konstruktionslösningar tas fram i samarbete med Morphic. 1 European Science and Technology Observatory : HYCOM PRE FEASIBILITY STUDY Final report, mars Fuel Cell Systems Explained, James Larmine & Andrew Dicks, Wiley

9 2 Teori 2.1 Vätgasproduktion Vätgasutveckling på en elektrodyta Vätgasutveckling är en av de mest studerande reaktionerna genom tiderna. På senare år har även oxidation av väte blivit intressant att studera på grund av bränslecellindustrins frammarsch. Hur vätgasutveckling sker har diskuterats mycket, men tre reaktionsvägar har blivit etablerade. Dessa är följande i alkalisk miljö: (För sur miljö lägges ett H + till på båda sidor och utnyttja att H + +OH - H 2 O) H 2 O + e - OH - + H ad (2) H ad + H ad H 2 (3) H 2 O + H ad + e - H 2 + OH - (4) Här betyder ad att protonen har adsorberas vid elektrodytan. Vätgasbildandet kan ske genom att reaktionerna (2) och (3) sker i en sekvens och/eller parallellt med reaktion (4). Energin i bindningen mellan elektrodytan och vätet har stor betydelse över hur vätgasutvecklingen sker. Den kan variera mellan olika material som har presenteras i s.k. vulkankurvor. I dessa plottas strömtätheten mot bindningsenergin. Kurvan visar då hur mycket bidningsenergin mellan metallen och vätet påverkar strömmen. Det ger dock inte en helt rättvis bild över materialen då olika reaktionsmekanismer sker på olika material. 3 Se figur 1*. 3 Handbook of Fuel Cells, volume 2 (kapitel 25&29)-Electocatalysis, W.Vielstich, A.Lamm, H.A.Gasteiger, Wiley,2003 *Denna figur tar inte hänsyn till att olika mekanismer sker på olika material utan utgår endast från mätdata på bidningen mellan vätet och elektroden samt strömtätheten. Figur 1 är inte original bilden utan en avbildning av den figur som finns på sidan 419 i Handbook of fuel cells, volume 2, kapitel 29. 9

10 Experimentel vulkankurva log j [A/cm2] Pt, Rh Cu, Fe, Ni, Au Ti, Ta, Nb, Mo Tl, Cd, Pb, Ag Material M-H bindnings energi [kj/mol] Figur 1. Grafen visar en pyramidformad kurva vid en jämförelse mellan olika ämnen. I denna så ligger platinagruppen högst upp följt av järn och nickel. Sämst är de mjukare metallerna som kadmium och bly. M-H är bindningen mellan metallen och väte. 3 Original referens är Conway & Jerkiewicz, Electrochim. Acta,45,4075 (2000). Genom att kombinera dessa reaktioner (2-4) kan fyra varianter på vätgasproduktion fås fram. Detta genom att reaktionerna startar på ett gemensamt sätt och avslutas på två olika. Det beror också på om första eller andra reaktionen är den hastighetsbestämmande, vilket ger de fyra varianterna: A) Reaktion (2) långsam Reaktion (3) snabb B) Reaktion (2) snabb Reaktion (3) långsam C) Reaktion (2) långsam Reaktion (4) snabb D) Reaktion (2) snabb Reaktion (4) långsam Metallerna i platinagruppen har bildandet av vätgas av två protoner som hastighetsbestämmande steg (variant B) medan andra metaller som t.ex. silver har brytandet av bindningen mellan vätet och elektroden som begränsande steg (variant D). De metaller som ger lägsta strömtätheten har bildandet av metalhydrid som begränsat steg (variant C) 4. 4 Introduction to electrochemistry, D.Bynn Hibbert, Macmillan Press LTD,

11 2.1.2 Elektrolys av vatten Elektrolys av vatten för att få fram vätgas är möjligtvis inte den billigaste metoden, men den har fördelen att den ger väldigt rent väte. 3 Den spänning som behövs för att kunna åstadkomma elektrolys ges av standardpotentialer 4, insatta i Nernstekvationen 2 som tar med trycket på gaserna. E = E 0 + (RT/nF) ln(p H2 P O2 ½ / P H2O ) (5) I ekvation (5) är R den allmänna gaskonstanten, T är temperaturen i Kelvin, n är antalet elektroner i reaktionen, F är Faradays konstant och P är partialtrycket för väte, syre och vatten. E 0 är standardpotentialerna för reaktionerna där den totala spänningen tas fram genom att ta dem minus varandra för att få ut spänningen på cellen. På katodelektroden bildas vätgas och på anodelektroden syrgas. (Se även under Introduktion till elektrolysörer.) E 0 = E katod - E anod (6) Genom att använda denna ekvation fås den minsta spänningen som behövs, teoretiskt, för att kunna göra syrgas och vätgas av vatten. Detta värde är 1,23 volt. Detta fås genom att ta spänningen för vätgasreaktionen minus spänningen för syrgasreaktionen (standardpotentialer). Skillnaden mot ekvation (5) är hänsyn till trycket. T.ex. ökar en bränslecells prestanda om den jobbar vid ett högre tryck. Det finns en spänning som kallas entalpisk spänning, den ligger på 1,48 volt. Vid denna spänning elektrolyseras vatten isotermiskt. Rent praktiskt måste spänningen ligga högre än de teoretiskt framtagna då hänsyn måste tas till aktiveringsenergin och elektriska förluster i elektrolysören. Aktiveringsenergin är den energi som krävs för att reaktionerna ska starta. Genom att förbättra elektrodmaterial och katalysatorer minskar förlusterna och aktiveringsenergin. De material som visat sig bäst som katalysatorer är också de dyraste, nämligen ädelmetaller som guld, silver och platina. Därför har nickel och stål använts då de är billigare än ädelmetallerna ovan. 3 11

12 2.2 Syrgasutveckling Förutom vätgasutveckling spelar även syrgasutvecklingen en viktig roll i elektrolysörer. I både bränsleceller och elektrolysörer sker den största energiförlusten på grund av denna reaktion. 4 Precis som i fallet med vätgas har syrgasutveckling studerats mycket, men tyvärr med mer blygsamt resultat. Detta beror enligt litteraturen på att reaktionerna är mer komplexa än i vätefallet. Orsaker kan vara bildning och sönderfall av oxider på elektrodytan. Även behandlingen på elektrodytan avgör vilka mekanismer som sker innan syrgasen är färdigbildad. I vattenlösningar är dock två reaktioner accepterade, men dessa är mer allmängiltiga 5 : O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O (7) O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - (8) Det finns också experimentella data som tyder på att syrgasutveckling sker via väteperoxid, som är ett relativt stabilt intermediat men som snabbt bryts ner katalytiskt då det kommer i kontakt med metaller 5. O 2 + 2H + + 2e - H 2 O 2 (9) Följt av reaktion 10 för att bilda vatten: H 2 O 2 + 2H + +2e - 2H 2 O (10) Den reversibla versionen av reaktion (10) har inte uppnåtts, men för (9). 5 Som sagt ovan har flera reaktionssteg föreslagits, men i de flesta fall utgår syrgasutveckling ifrån att det första steget är adsorption av en syreatom, O ads, på elektrodytan. Denna bildas genom urladdning av en vattenmolekyl eller en hydroxidjon. 5 En mekanism som är observerad är följande 3 : 2H 2 O OH ad + H 3 O + + e - (11) 2OH ad O ad + H 2 O (12) 2O ad O 2 (13) I reaktion (11) och (12) är OH ad och O ad radikaler, de har endast en fri elektron. I denna mekanism sker reaktionerna 11, 12 och 13 i en sekvens. Enligt ekvationerna måste reaktion (11) ske två gånger innan reaktion (12) sker. Denna reaktion måste ske två gånger innan reaktion (13) sker, då blir hela reduktionen formellt en fyraelektrons process, som enligt reaktionerna (7) och (8). 5 Fundamentals of Electrochemistry, V.G Bagotsky, Wiley,

13 2.3 Elektrolysörer Introduktion till elektrolysörer En elektrolysör är en apparat som tillverkar vätgas och syrgas med hjälp av elektrisk energi och vatten. Det är därmed motsatsen till en bränslecell där syrgas och vätgas reagerar och bildar energi och vatten. Reaktionerna i en elektrolysör är de motsatta än för en bränslecell, vilket innebär att på katoden reduceras väteprotonerna med elektroner och bildar vätgas och på anoden oxideras vatten och bildar syrgas, väteprotoner och elektroner (detta i en sur miljö). Protonerna går genom ett membran som inte släpper igenom elektronerna. Elektronerna tar en yttre väg runt cellen genom en elektrisk koppling mellan anoden och katoden. Reaktionerna för detta är (14) och (15) i sur miljö. 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - (14) 4H + + 4e - 2H 2 (15) Den totala reaktionen fås när dessa reaktioner, (14) och (15) är kombinerade, då reaktionerna sker samtidigt. 2H 2 O O 2 + 2H 2 (16) Det finns även elektrolysörer som arbetar i en alkalisk miljö där motsvarande reaktioner sker, fast med hydroxidjoner som laddningsbärare istället. Där är reaktionerna (17) och (18) kombineras för att ge reaktion (16). 4OH - 2H 2 O + O 2 + 4e - (17) 4H 2 O 4e - + 4OH - + 2H 2 (18) Jämför gärna med reaktionerna (2)-(4). Reaktion (18) kan t.ex. vara en produkt av reaktion (2) och (4). Den totala reaktionen blir då den samma som hos en sur miljö Likströmskälla Elektrod där syrgas och vätgas bildas i vattenlösningen. Vatten med tillsatt KOH Gasbubblor (H 2 och O 2 ) Membran Figur 2. Principskiss över elektrolysör. Beroende på om det är en sur eller alkalisk elektrolysör så vandrar antingen protonerna eller hydroxidjonerna genom membranet medan elektroderna kommer från den yttre kretsen. 13

14 2.3.2 Uppbyggnad Elektrolysören består precis som en bränslecell av; elektroder, membran och en elektrolyt. Den behöver också en spänningskälla för att producera gas, till motsats från en bränslecell som ger spänning och ström då gas tillförs. En likspänning läggs på över cellen. Den positiva polen(anoden) ansluts till sidan där syrgas ska bildas och den negativa polen(katoden) där vätgas ska bildas. Se figur 2. I elektrolyten är jonerna/protoner laddningsbärare och i elektroderna är elektronerna det. För att kunna mäta en ström måste båda laddningsbärarna börja röra på sig. Detta sker då tillräckligt hög spänning ligger över cellen. Spänningen per cell kan variera från 1.6 till 2 volt. Elektroderna är i elektrolysfallet gjorda för att de bildade gaserna ska försvinna snabbt från elektrodytan istället för att dras in som hos en bränslecell. 2 Elektroder görs av t.ex. nickel i elektrolysörer. 6 I bränslecellsammanhang använts någon ädelmetall som t.ex. platina eller platinalegeringar 7 p.g.a. av deras goda katalytiska egenskaper. 3 Membranet är designat för att släppa igenom en partikel med en viss laddning och storlek men blockera för andra. Som membran finns t.ex. polymertyper som Nafion, som leder ström med hjälp av katjoner. Då det bildas dubbelt så mycket vätgas som syrgas (reaktion 16) kommer det uppstå en tryckskillnad över membranet. Om tryckskillnaden blir för stor kan membranet gå sönder, vilket kan leda till att syrgas och vätgas blandas och exploderar när vatten bildas. Därför behöver trycket regleras noggrant över membranet. Elektrolyten består av vatten med tillsatt kaliumhydroxid för att erhålla en god ledningsförmåga på vattnet. Detta då vatten i sig inte är en bra ledare. 3 Då kaliumhydroxid finns i en vattenlösning beräknas ledningsförmågan på vattnet genom interpolering av tabellvärden 8. Se figur 3. I de flesta industriella anläggningar ligger KOH halten mellan 25 och 70 vikt %. 2 Ledningsförmåga hos KOH ms/cm vikt % KOH Figur 3. Diagram över ledningsförmågan hos vatten med kaliumhydroxid Handbook of Chemistry and Physics, 86th edition, kapitel 5 sida 72 14

15 2.3.3 Prestanda Elektrolysören jobbar som en reverserad bränslecell men dess förluster följer samma mönster. Däribland finns aktiveringsenergin som är den energin som krävs för att reaktionerna ska starta. Andra förluster är t.ex. ohmiska förluster i elektrolyten, membranet och elektroderna. 2 Dessa förluster leder till att elektrolysören tillåter att en högre ström passerar ju högre spänning som läggs över cellerna. Detta gör att mer vätgas bildas men det ökar bara till en viss gräns då masstransport till elektroderna sker för långsamt för att vätgasproduktionen ska öka ytterligare. I figur 4 ritas ström och spänning för en bränslecell och en elektrolysör. Spänning Bränslecell Spänning Elektrolysör B C A B C A Ström Ström Figur 4. Bränslecellens och elektrolysörens ström/spänningskurva. De streckade horisontella linjerna anger den teoretiska spänningen som bränslecellen ger i idealfallet respektive spänningen elektrolysören kräver för att producera vätgas. De streckade vertikala linjerna anger slutet på kurvorna. Aktiveringsenergin (A), Laddningstransport (B) och Masstransport (C) begränsar effekten och ger kurvorna deras karaktär för bränslecellen respektive elektrolysören. För en enskild cell behövs det teoretiskt 1,48 volt (streckad linje i figur 4) för att tillverka vätgas men det behövs upp mot 2 volt i praktiken. Det går att producera vätgas vid lägre spänningar, och därmed högre verkningsgrad, men då går produktionen långsammare. Verkningsgraden ges av 2 : η = 1,48 / V c (19) I reaktion (19) är V c spänningen som krävs för att vätgas ska produceras. Vätgasen som produceras har ett energiinnehåll som motsvarar 10,8 MJ/m 3 eller 2,8 kwh/nm 3 *. 9 9 Förstudie:Enkel och effektiv elektrolysör för vätgasproduktion, Ångpanneföreningen * Nm 3 är en standardenhet som anges för 1 m 3 gas med trycket 1,01325 bar och temperaturen 0 C Definition hämtad från 15

16 Därför brukar elektrolysörens kapacitet att producera vätgas ofta anges i kwh per normalkubik producerad vätgas. Det går därigenom specificera elektrolysörens verkningsgrad med: η = 2.8 /X (20) Där X är antalet kwh som behövs för att producera en normalkubik vätgas. Verkningsgraden antyder hur bra cellstacken är, men den säger det egentligen inte hur bra totala verkningsgraden är. Det finns reglersystem som tar en del energi och även komprimering av vätgasen tar en del energi om det inte är en trycksatt elektrolysör. 2 En trycksatt elektrolysör bygger upp ett eget tryck, utan kompressor, genom att behålla gaserna i sig och släppa ut vid ett önskat tryck Dagens elektrolysörer De elektrolysörer som tillverkas i dag använts inom kemisk industri för att t.ex. tillverka ammoniak 4 och även klor 2 tillverkas med hjälp av elektrolys. Det finns en del bolag och företag som säljer elektrolysörer idag. Enligt de specifikationer som finns ligger verkningsgraderna från 40 % upp till 77 % och kostar kring allt från tals SEK för små elektrolysörer (<1m 3 /h) till 1 miljon SEK för större (>1m 3 /h). Enligt referens 2 har de elektrolysörer som finns idag på marknaden totala verkningsgrader mellan 60 och 70 %. Företaget Hydro tillverkar elektrolysörer som är trycksatta och elektrolysörer som jobbar vid atmosfärstryck 10. Deras elektrolysörer kan producera Nm 3 /h och kostar ungefär 1-2 miljoner NOK. Verkningsgraden är kring 75 %. Proton energy kan göra elektrolysörer som levererar 0,53 Nm 3 /h till 6 Nm 3 /h och kostar mellan och $ (ca respektive 1,3 miljon SEK). Effektiviteten på deras elektrolysörer är ca 40 %. Ett annat bolag som heter Hydrogenics tillverkar elektrolysörer som producerar från 6 till 60 Nm 3 /h. Verkningsgraden ligger på 58 %. Företaget Linde gör elektrolysörer med produktionskapacitet på Nm 3 /h 11. De har även engagerat sig i att börja med vätgasstationer i Tyskland 12. Se specifikationer och interjuver i bilagorna 1, 2 och

17 3 Experiment 3.1 Förstudie till experimenten Elektroderna till elektrolysörer byggs idag ofta av nickel. Det var därför intressant att prova detta material i förhållande till några andra material. Inom bränsleceller använts ofta platina eller platina legerat med någon annan metall som elektroder. Det kom funderingar om inte X skulle kunna fungera inför dom encelliga testerna som skulle göras. Morphics dotterbolag Cell Impact hade inte exakt det materialet, men en variant av X som de kunde göra elektrodplattor av. Till experimenten beslöts att detta material skulle användas. Och även ett annat material som fanns tillägnligt, XX, beslutades det att göra efterforskningar kring och att pröva i den encelliga testenheten. Andra alternativa material studerades på Internet. Syftet med materialundersökningen var att se vad som finns idag och hitta alternativ till traditionella nickelelektroder. De material som studerades var järn, XX, krom, mangan, vanadin, skandium, titan och titanoxid. Silver, guld, platina och nickel undersöktes inte då dessa material är välkända att ha bra katalytiska egenskaper. I fallet med järn hittades några artiklar, t.ex. en om elektroder till batterier 13. Järn hade också använts till vätgasutveckling 14. Och platina legerat med järn har också använts i en elektrod 15. I fallet med batterier har järn använts tillsammans med nickel. Järn/nickel batterier är väldigt robusta och tål både överspänningar och stå oladdade länge. Deras nackdel är den låga energitätheten. Vätgasutveckling på järnelektroder gjordes i alkalisk miljö. Experimentet gjordes för att undersöka strömmens förhållande till spänning på en roterande järnelektrod. Experimentens resultat diskuterades även i förhållande till mekanismer för vätgasutveckling, tyvärr skriver författarna till denna artikel ingen kommentar om hur väl teorin och deras resultat stod sig. I fallet med platina legerat med järn antas järn vara utfyllnad för att spara på platina. Elektroden fungerade och hade elektrokemiska katalytiska egenskaper och är till för t.ex. bränsleceller. 13 Iron electrode batteries, J.F. Jackovitz and G.A. Bayles Copyright 2002, 1999, 1994, 1972 by The McGraw-Hill Companies, Inc., McGraw-Hill 14 Hydrogen evolution reaction on a smooth iron electrode in alkaline solution at different temperatures R. Gennero de Chialvo and Abel C. Chialvo Mar, Phys. Chem. Chem. Phys.(PCCP), 2001, 3,

18 XX visade sig ha egenskapen att kunna bilda väteperoxid, H 2 O 2, i alkalisk miljö 16. I samma artikel (16) står det att karbider är mer aktiva än rena metaller för att reducera syrgas till väteperoxid. Av alla karbider är titankarbid den mest aktiva i förhållande till dess rena metall, nämligen titan. Det står också att XX är mer aktivt än titankarbid. Reaktionen på syresidan är i detta fall 4OH - 2H 2 O 2 + 4e -. Potentialen för denna reaktion är 1,8 V 17. Syrgasreaktionen ger 1,23 V och då effekt är spänning i kvadrat genom resistans blir uteffekten av en bränslecell som drivs på väteperoxid istället för syrgas nästan dubbelt så hög. (Vätereaktionen har definierats att ske vid 0 V 2 ) Om elektrolysören ger väteperoxid istället för syrgas går det att ge en bränslecell i detta system som använder vätgas och väteperoxid mer effekt. Skandium 18 är en väldigt dyr och sällsynt metall 19, enligt referenserna 18 och 19. Därför hittades inga elektroder av det materialet i denna förstudie. Titan och titanoxid hade testas, fast med dåligt resultat. Detta påstående kommer ifrån att författarna i artikeln skriver att höga överspänningar krävs för att vätgas ska bildas. Forskarna hade lagt ett lager med lantanklorid och natriummolybden på titan. Denna metod testades i 18 månader utan att överspänningarna ändrades, som de gör hos ren titan där väte kan krypa in i metallen. 20 Det verkar finnas en del vanadinelektroder, i en artikel hade forskarna bytt ut nickel med vanadin. 21 I denna artikel (21) står det att genom att byta dessa metaller fick elektroden en bättre korrosiv motståndskraft och dessutom en högre potential mellan bildning av vätgas och metallhydrid. Det gick även bilda vätgas vid lägre potentialer. Det fanns en bränslecell med olika vanadinoxider som anod och katod. Artikeln beskrev bara hur en sådan bränslecell kan fungera, och teoretisk skulle denna cell ge 1,6 volt, men det står inte vid vilken ström. Författarna redovisar inte heller några resultat kring denna bränslecell Oxygen Reduction on XX in Alkaline Electrolyte J. Giner & L. Swette, Nature 211, (17 September 1966) Lanthanum-molybdenum coating for hydrogen evolution on titanium N. V. Krstaji, M. D. Spasojevi and R. T. Atanasoski Journal of Applied Electrochemistry, Volume 14, Number 1 / January, Microstructure and electrochemical performance of vanadium-containing AB 5 -type low-co intermetallic hydrides Rong Li, Jianmin Wua, Hang Sua and Shaoxiong Zhoua Journal of Alloys and Compounds,Volume 421, 14 September 2006, sidor

19 Krom har också studerats som elektromaterial och det visade sig att kromelektroder använts och säljs 23, och även fanns i en legerad elektrod. 24 I detta patent (referens 24) skriver forskarna att en elektrod gjord av platina, kobolt och krom är nästan dubbelt så effektiv för att reducera syrgas än platina själv. Elektroden sägs passa bra i syrliga bränsleceller. Forskningsgruppen beskriver också metoder för att tillverka elektroden och skriver att de katalytiska förmågorna ökar, i förhållande till att använda rent platina. Mangan fanns det om i batterisammanhang då ett par artiklar hittades. Bland annat skriver författarna till artikeln i referens 25 att genom att byta en elektrod i ett litiumbatteri ökade dess kapacitet. Elektroden som lades in istället var av litiummangan-oxid. 25 I en annan artikel beskriver forskarna att genom att ersätta nickel med mangan ökar kapaciteten hos laddningsbara batterier. Batteriet visade bättre prestanda på återladdningen och uppladdningen blev mer stabil. 26 Mangan har även funnits som elektrod tillsammans med någon eller flera andra metaller 27. I detta patent (referens 27) skriver uppfinnarna att kostnaden för elektroder kan dras ner genom att använda mindre platina. De skriver vidare att deras elektrod är mer tålig mot korrosion och att den även är mer aktiv som katalysator än rent platina. Manganoxid har förekommit som katalysator på elektroder i en bränslecell 28. I denna artikel skriver författarna om att lägga in olika mängder med manganoxid i en elektrod som använts i en bränslecell. Forskarna hittade en topp i energitäthet då det fanns 3 mg/cm 2 av manganoxid på elektroden. Energitätheten ökade alltså efterhand som mer manganoxid lades på, men sedan sjönk den igen Manganese electrode could double lithium ion battery capacity John Timmer Copyright Ars Technica, LLC Manganese dioxide as a cathode catalyst for a direct alcohol or sodium borohydride fuel cell with a flowing alkaline electrolyte A. Verma, A.K. Jha and S. Basu Journal of Power Sources, Volume 141, 16 February 2005, Sidorna

20 Även om materialundersökningen gav en del intressant finns det inte tillräckligt med tid att bedriva grundforskning på alla material. Det som var intressant med undersökningen, ur examensarbetets synpunkt, var att se vad olika material har använts till och hur det har gått i försöken med vätgasutveckling och som elektrod i andra sammanhang. Att känna till vad som har gjorts tidigare besparar tid i labbet, där det var planerat att prova andra material än de som redan har provats. Den mesta grundforskningen har dessutom redan gjorts då det gäller vätgasutveckling, enligt referens 4, sida 176, då denna reaktion har studerats många år på många olika material. Dessutom har jag genom materialstudien sett att det finns många artiklar om vätgasutveckling på olika elektrodmaterial. I samråd med handledare valdes följande elektrod par att studeras i encelliga tester: 1) X och XX 2) X och nickel 3) Nickel på båda sidor I dessa elektrodpar sitter X på vätgassidan och XX på syrgassidan. Dessa varianter testades i en encellig testenhet för elektrolys, där kaliumhydroxid tillsattes för att få god ledningsförmåga på vattnet. 20

21 3.2 Encelliga tester Ström/spänningskurva Syfte med experimentet Genom att studera hur ström och spänning beror av varandra går det att se vilken spänning som behövs vid den givna kaliumhydroxidhalten för att producera vätgas. Även strömtäthet kan tas fram då elektrodernas mått är kända. Strömmen vid en given spänning är användbart då en hel stack ska byggas, då kan det beräknas hur många och hur stora elektroderna behöver vara för en fullstor elektrolysör. Genom att veta strömtätheten (A/cm 2 ) kan effekten på en fullstor beräknas genom att göra en uppskalning av elektroderna. De material som provades var X ihop med XX och nickel, där X var på vätesidan(katoden). Även nickel som både anod och katod provades Experimentuppställning Testerna gjordes med en cellenhet, där elektroderna lades i testcellen och det mättes ström och spänning över testcellen. Elektrolyten bestod av avjonat vatten med 15 vikt % KOH. Testcellen bestod av en stomme av plast med en nedsänkning med två hål. I botten på nedsänkningen fanns en kopparkontakt som går upp ur cellen där spänningen ansluts. Hela cellen bestod av två sådana med ett membran av Nafiontyp som lades mellan elektroderna. Figur 5. Bilder på testcellen. I hålen ansluts slangar där vätska pumpas in och gas tas ut. I kopparen ansluts spänningen. Hela cellen består av två lika halvor. 21

22 Elektroderna som testades tillverkades så att de fick plats i cellens nedsänkning och hål borrades för vatten och gasflödet in respektive ut ur cellen. Elektrodernas mått var 55 mm*55 mm. Avståndet mellan elektroderna var 2,5 mm, varav 0,5 mm var membranets tjocklek, det övriga var packningarnas tjocklek. Figur 6. Bild på elektroderna som testades. Under experimentet mättes ström och spänning för de olika materialen. Cellen skruvades ihop då packningar av typen EPDM hade lagts på plats tillsammans med membran av Nafion och elektroderna som skulle testas. Kaliumhydroxid pumpades runt på båda sidor av cellen med hjälp av en peristaltisk pump för att få bra bortförsel av bildad gas och tillförandet av ny vätska. Spännings aggregat Ampere meter KOH lösning KOH lösning Volt meter Figur 7. Schematisk skiss experiment uppställningen. Rektangeln med tjockare kanter motsvarar testcellen och flödena i cellen motsvaras av pilarna. Spänningsaggregatet var tillverkat av GW INSTEK och modellen var GPS3030DD, slangarna var av typen Viton, spänningen mättes med en Keithley 2700 multimeter. Kaliumhydroxiden (från Merck) förvarades i e-kolvar som var på 500 ml. Amperemetern var gjord av Brymen och modellen var Elma BM805 Digital Multimeter. 22

23 3.2.2 Vätgasproduktion Syfte med experimentet För att jämföra de olika materialen på ett bättre sätt än ström/spänningskurvor kan den faktiska mängden vätgas som producerats efter en viss tid mätas. Detta görs genom att ansluta gasflödet från cellen till ett par behållare, dessa var byretter som vardera rymde 25 ml. Från cellen dras en slang till nedsidan av behållaren. Tyvärr var det inte möjligt att ha cirkulerande elektrolyt under experimentet. Detta berodde på att det ej fanns anslutningar för att kunna ha både gas- och vätskeretur i samma ledning. Alla experiment utfördes på samma sätt och därmed gjordes en bra jämförelsestudie av elektroderna, vilket var experimentets huvudsyfte Experimentuppställning Cellen var ansluten till en spänningskälla som gav 2,3 Volt (samma spänningskälla som hos framtagning av U/I kurvor). Denna spänning valdes för att tidigare experiment hade visat att det var vid denna spänning som vätgas kunde bildas på X, och detta var även den högsta spänningen som behövdes för att få visuell bekräftelse på att vätgas bildades. Vätska till cellen pumpades in i början av experimentet så att vätska fanns i cellen. Vätskan var avjoniserat vatten med 15 vikt % kaliumhydroxid. När spänningen lades på bubblade gas ut ur cellen och upp i behållarna. Från början var dessa behållare vattenfyllda och stängda i toppen. De bildade gaserna pressade ner vätskan så att det gick att följa hur mycket vätgas och syrgas som producerats efter en given tid, genom att notera var vattenytan befann sig. U = 2,3 V KOH(aq) KOH(aq) Figur 8. Principskiss över hur mängden vätgas mättes. Tjockare linjer markerar vätskeflöden och cellen. 23

24 3.3 Tvåcellig elektrolysörstack Förstudie till konstruktion Med utgångspunkt från de genomförda experimenten beräknades att elektroder gjorda av nickel ger en liter vätgas efter timmar på en yta av 25 cm 2. Detta var dock vid stillastående elektrolyt, vilket ger betydligt lägre ström. En utgångspunkt för konstruktion var att handledare på Morphic ville ha en liten elektrolysör som ska passa deras energisystem där vindkraft och bränsleceller kombineras. En lagom produktionstakt ansågs vara 0,25 kubikmeter i timmen. För att producera 0,25 m 3 i timmen krävs 250 ggr mer tid. Alltså 10*250 = 2500 timmar, på en yta av 25 cm 2. För att få ner det till en timme behövs 2500 ggr större yta. Den yta som krävs är 2500*25 = cm 2. Genom att fördela denna yta på 250 elektroder ska varje väteproducerande elektrod ha en yta på 250 cm 2 (Ca 16*16 cm.). Måtten för elektroderna beslutades bli 20 cm*20 cm så att det får plats packningar runt om för att hålla tätt. Se figur 9. Detta var även storleken på de största Nafion membranen som fanns i kemilabbet, så större elektroder kunde inte göras för en stack. Just två celler valdes för att allt därutöver är en uppskalning, eller kopiering, för att nå önskad storlek på cellstacken. Materialen som elektroderna gjordes av var X till katoden och XX belagt rostfritt stål till anoden. I elektroderna gjordes hål för skruvar att skruva ihop stacken med samt hål för vätskeoch gasflödet. Figur 9. Bild på elektrod. Hålen i sidorna användes för skruvar medan de något större hålen i hörnen är för vätska och gas. På den utstickande delen uppe till vänster mättes spänningen. Skruvarna täcktes med en isolerande slang för att inte det skulle gå läckströmmar i elektrolysören. Även huvudet på skruvarna isolerades från gavlarna med hjälp av plastbrickor. Förutom elektroder behövdes ett par gavlar där in och utloppshål fanns. Dessa gavlar behövde tåla kaliumhydroxid. Det beslutades att de skulle tillverkas av rostfritt stål. 24

25 Måtten på gavlarna blev en yta med 21 cm*21 cm och en tjocklek på 2 cm. I hörnen borrades hål för in- respektive utlopp som sedan gängades för att kunna skruva dit anslutningar där slangar för gas och vätska anslöts. Membran blev de som fanns tillängliga i Morphics labbsal, nämligen Nafion. Packningarna behövde tåla kaliumhydroxid och även vara elektriskt isolerande. Efter samtal med personal på Tools Verktygsspecialisten AB i Karlskoga beställdes en gummiduk av typ EPDM med tjocklek 2 mm och längden 5 m och bredden 1,4 m. Packningarna skars ut så de täckte elektroderna och hål stansades så dessa passade hålen på elektroderna. Kanaler gjordes i packningarna så att vätska kunde komma till elektrodytan och gas lämna den Konstruktionslösning Cellstacken byggdes av två elektroder av X och två stycken elektroder av XX belagd rostfri plåt. Gavlar användes för att få anslutningar till stacken där vätska matades in och gas transporterades bort. I ena gaveln monterades tätningar för att det inte skulle komma ut gas eller vätska. Alltså skedde både vätskeinmatning och gasuttag på samma sida. Hålen för gas och vätska borrades med en diameter på 10 mm och gängades därefter med gänga G ¼. Hålen för skruvarna som skulle hålla ihop stacken hade en diameter på 8,5 mm och satt 1,75 mm in från kanten på elektroderna. Centrum för hålen var vid 40, 100 och 160 mm på sidan. Alla sidor gjordes lika. Totalt var det 12 st hål av denna storlek, plus de fyra för gas och vätska. Det gjordes även hål i gavlarna för att passa de 12 skruvarna. Enda skillnaden i mått var att hålen satt 5 mm längre in då gavlarna är 10 mm bredare än elektroderna. Packningarna gjordes i två varianter, där den ena var endast en heltäckande ram som hade bredden 20 mm och hål för alla skruvhål och för vätska och gas. Den andra hade kanaler ut från ett av vätskehålen och ett för gasflödet. Kanalerna satt diagonalt mot varandra. Flödet på respektive elektrod var tänkt att pumpas in i nedre vänstra hörnet på stacken och ut i det övre högra hörnet. Den andra elektroden matades med inflöde i det nedre högra hålet och utflöde i det övre vänstra hålet. Monteringen började med gaveln som tätades i de fyra hålen för flöden. I de 12 skruvhålen träddes skruvar av typen M5*80 med en isolerande slang. Ovanpå den första gaveln lades en heltäckande packning för att få tätt mellan gaveln och första elektroden. Första elektroden lades på, som var till syrgassidan, och sedan tre packningar, varav två var heltäckande och en med kanaler. Den med kanaler lades i mitten av de tre och i kanalen lades två stycken runda hylsor av rostfritt stål. 25

26 Anledningen till hylsorna var för att få mottryck så kanalen höll tätt. Membranet lades sedan på den tredje packningen. Både membran och packningar var gjorda för att skruvhålen och flödeshålen skulle få plats i dessa. Ovanpå membranet lades packningar i samma ordning som tidigare och överst vätgaselektroden. Mellan cellerna lades en packning med heltäckande ram, sedan upprepades lagren med packningar och elektroder. Efter detta lades den andra gaveln på så att skruvarna gick igenom där de skulle. Plastslang på skruvarna som stack upp ovanför gaveln skars bort med en morakniv. På varje skruv lades en plastbricka, en vanlig metallbricka och en mutter. Därefter skruvades stacken ihop så pass mycket det gick med handkraft. Efter montering pumpades vätska in på syrgassidan och vätgassidan, en i taget. Detta gjordes för att kontrollera att det inte fanns något läckage ut från stacken eller något inre läckage. Då det hade konstaterats att stacken höll tätt beslutades att experimenten kunde börja. Figur 10. Framsida av stacken till vänster och baksidan till höger. I gavlarnas hörn sitter slanganslutningar och tilltäppningar för vätska och gas. Skruvarna isolerades från gaveln med plastbrickor och från elektroderna med en slang. De vita detaljerna på den vänstra bilden är isoleringen mot gaveln Experiment gjorda på tvåcellig elektrolysörstack Experimentplan De experiment som skulle genomföras på elektrolysörstacken diskuterades med handledare från Morphic. Det som ansågs viktigast var produktionen av vätgas och stackens verkningsgrad. Utöver detta fanns önskemål om ström/spänningskurva, spänningsfördelning på stacken och produktion av väteperoxid. Experimenten utfördes med avjonat vatten med 15 vikt % kaliumhydroxid. Samma spänningsaggregat, voltmeter, amperemeter och byretter användes till experimenten på stacken som på de encelliga testerna. 26

27 Ström/spänningskurva och spänningsfördelning Experimentuppställningen var även i detta försök lika som för encelliga tester. Det som ytterligare mättes var att med en extra amperemeter mäta spänningen över varje cell vid varje mättpunkt. Mätningarna började vid 4 volt då de tidigare encelliga testerna visat att det var kring 2 volt på en cell som vätgas började bildas. Efter mätningarna lades dessa in i en figur för att få en bra överblick Vätgasproduktion, väteperoxidproduktion och verkningsgrad Då verkningsgrad sammanfaller med hur mycket energi som krävs för att bilda en viss mängd vätgas kunde verkningsgrad och vätgasproduktion mätas samtidigt. Även hur mycket väteperoxid som bildas kunde mätas under samma försök. Detta beror på att elektrolys av vatten ger dubbelt så mycket vätgas som syrgas. Det som eventuellt fattas i syrgas för att bli hälften av mängden vätgas är teoretiskt sätt väteperoxid. Behållarna rymde 25 ml, så när den behållare med vätgas är full ska det i den andra behållaren finnas 12,5 ml syrgas då dubbelt så mycket vätgas som syrgas bildas. Mängden som saknas upp till att bli 12,5 ml i syrebehållaren är väteperoxid. Om det t.ex. finns 10 ml syrgas i byretten har 2,5 ml av syret bildat väteperoxid, teoretiskt sett. Experimentuppställningen är identisk med den för de encelliga testerna av vätgasproduktion, med skillnaden att tidtagning pågick för den tid det tog att producera en hel byrett (25 ml) med vätgas. Det som ytterligare gjordes i detta experiment var mätning av ström och spänning medan vätgas producerades. Verkningsgraden togs fram genom att mäta hur många joule elektrisk energi som hade tillförts genom att multiplicera ström, spänning och tiden för att fylla upp 25 ml vätgas: E = U*I*t (21) Där E är energin i joule, U är spänning i volt, I är ström i ampere och t är tid i sekunder. Vätgas innehåller 2,8 kwh per kubikmeter, eller 10 joule per milliliter, verkningsgraden blir därmed 250 delat med elektrisk energi, då 25 ml vätgas hade bildats. η = 250/E (22) 27