A kinetic study of Fe2O3/YSZ redox reactions for a hydrogen storage and production process
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-06-10
Department
Major/Subject
Industrial Energy Processes and Sustainability
Mcode
CHEM3044
Degree programme
Master’s Programme in Advanced Energy solutions (AAE)
Language
en
Pages
77 + 2
Series
Abstract
Hydrogen (H2) emerges as a key solution for the challenges of storing intermittent renewable energy. However, ensuring safe and efficient storage and distribution of hydrogen remains a challenge. Iron oxide (Fe2O3) reduction/oxidation (redox) reactions offer a promising thermochemical hydrogen storage and production method, storing hydrogen as chemical potential within a solid metal. In the charging phase, iron oxide undergoes multi-step reduction by hydrogen, while in the discharge phase, oxidation by steam (H2O) releases stored hydrogen. Despite its potential, diverse material compositions and reaction conditions pose challenges in comprehending reaction kinetics, crucial for process optimization. This thesis employs thermogravimetric analysis (TGA) to study the kinetics of redox reactions of a mixture of 80% Fe2O3 (hematite) and 20% YSZ (yttria-stabilized zirconia). The objective is to evaluate whether the obtained kinetics align with existing literature and assess their feasibility in the context of hydrogen storage and production process. In the preliminary experiments, the effects of varying sample masses (2, 3, and 5 mg) and total gas flow rates (200, 250, 250, and 350 mL/min) on reaction kinetics were examined. Subsequent experiments, aimed at kinetic modelling, focused on 3 mg samples and 250 mL/min total gas flow rates across temperatures ranging from 470 to 800 °C. Preliminary findings indicated that lower sample mass and higher gas flow rate enhance the redox reaction kinetics. The kinetic modelling of reduction reactions utilizing integral and differential kinetic methods revealed inconstant values of isoconversional activation energy (Eα) with extent of conversion (α), necessitating multi-step kinetic modelling to determine other kinetic parameters. Furthermore, the differential Friedman method proved inadequate for estimating Eα from integral TGA data. Additionally, variations in reaction mechanism were observed across different temperature levels through visual inspection of the kinetic curves. Overall, obtained reduction kinetics align with existing literature, with reduction durations across all temperature levels suggesting suitability for hydrogen storage process requiring rapid charging and discharging.Vety (H2) on keskeinen ratkaisu epäsäännöllisesti saatavan uusiutuvan energian varastointiin liittyviin haasteisiin. Vedyn turvallisen ja tehokkaan varastoinnin ja jakelun varmistaminen on kuitenkin edelleen haaste. Rautaoksidien (Fe2O3) hapetus-pelkistysreaktiot (redox) tarjoavat lupaavan termokemiallisen menetelmän vedyn varastointiin ja tuotantoon, jossa vety varastoidaan kemiallisena potentiaalina kiinteään metalliin. Latausvaiheessa rautaoksidi pelkistetään vedyllä monivaiheisen pelkistysprosessin kautta. Purkausvaiheessa rauta hapetetaan höyryllä (H2O), jolloin varastoitunut vety vapautuu. Vaikka menetelmällä onkin potentiaalia, eri materiaaliyhdistelmät ja reaktio-olosuhteet tuovat haasteita reaktiokinetiikan ymmärtämiseen, mikä on oleellista prosessin optimoimiseksi. Tässä tutkimuksessa hyödynnetään termogravimetrista analyysiä (TGA) 80 % Fe2O3 (hematiitti) ja 20 % YSZ (yttria stabiloitu zirkoniumoksidi) -materiaalin redox-reaktiokinetiikan tutkimiseen. Tutkimuksen tavoitteena on arvioida kineettisten tulosten vastaavuutta olemassa olevaan kirjallisuuteen ja niiden soveltuvuutta vedyn varastointi- ja tuotantoprosessiin. Alustavissa kokeissa tutkittiin eri näytemassojen (2, 3, ja 5 mg) ja kokonaiskaasuvirtausten (200, 250, 300, and mL/min) vaikutusta redox-reaktiokinetiikkaan. Jatkokokeissa, jotka suoritettiin kineettistä mallinnusta varten, keskityttiin 3 mg:n näytteisiin ja 250 mL/min kokonaiskaasuvirtauksiin lämpötiloissa 470 ja 800 °C:n välillä. Alustavat kokeet osoittivat, että pienempi näytemassa ja suurempi kokonaiskaasuvirtaus edistävät redox-reaktiokinetiikkaa. Pelkistysreaktioiden kineettinen mallinnus käyttäen integraali- ja differentiaalimenetelmiä toi esiin aktivoitumisenergian (Eα) vaihtelun konversion (α) suhteen, mikä osoittaa tarpeen monivaiheiselle kineettiselle mallinnukselle muiden kineettisten parametrien määrittämiseksi. Lisäksi tutkimuksessa selvisi, että Friedmanin differentiaalimenetelmä oli riittämätön aktivoitumisenergian määrittämisessä integraalisesta TGA-datasta. Kineettisten kaavioiden visuaalinen tarkastelu myös osoitti, että reaktiomekanismi vaihtelee eri lämpötiloissa. Tutkimuksen pelkistysreaktiotulokset ovat yleisesti ottaen yhdenmukaisia olemassa olevan kirjallisuuden kanssa. Lisäksi pelkistysreaktioiden ajallinen kesto kaikissa lämpötiloissa viittaa soveltuvuuteen vedyn varastointiprosessissa, jossa tarvitaan nopeita lataus- ja purkausvaiheita.Description
Supervisor
Himanen, OlliThesis advisor
Pauritsch, MagdalenaKeywords
thermochemical hydrogen storage, redox reactions, reaction kinetics, kinetic modelling