Получение водорода методом электролиза воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский университет

Московский энергетический институт

Кафедра химии и электрохимической энергетики

Курсовая работа

Получение водорода методом электролиза воды

Выполнил

студент гр. ФП-04-13

Собакин А.А.

г. Москва

2014 год

Содержание

Введение

1. История

2. Методы производства водорода

3. Выход реакции по току

4. Производительность системы по гидроксигазу

5. Энергетическая эффективность процесса электролиза (КПД электролизера)

6. Электролизер

7. Сравнение метода получения водорода путем электролиза воды с другими методами

Заключение

Введение

Водород

1	H
Водород Hydrogen
()1s0

	Атомный номер 1 Атомная масса 1,0079 Плотность, кг/мі 0,0898 Температура плавления, °С -259,1 Температура кипения, °С -252,8 Теплоемкость, кДж/(кг·°С) 14,442 Электроотрицательность 2,1 Ковалентный радиус, Е 0,32 1-й ионизац. потенциал, эв 13,60

Водород (лат. Hydrogenium), H, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,0079. При обычных условиях Водород - газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.

Изотопы, атом и молекула Водорода. Обыкновенный Водород состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: легкого Водорода, или протия (1H), и тяжелого Водорода, или дейтерия (2Н, или D). В природных соединениях Водорода на 1 атом 2Н приходится в среднем 6800 атомов 1Н. Радиоактивный изотоп с массовым числом 3 называют сверхтяжелым Водородом, или тритием (3Н, или Т), с мягким в-излучением и периодом полураспада TЅ = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10-15% от общего числа атомов Водорода). Получен крайне неустойчивый изотоп 4Н. Массовые числа изотопов 1Н, 2Н, 3Н и 4Н, соответственно 1, 2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только один протон, дейтерия - один протон и один нейтрон, трития - один протон и 2 нейтрона, 4Н - один протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов Водорода обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.

Атом Водорода имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом Водород может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н- при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома Водород, а, следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом Водорода используется как модельный в квантово-механических расчетах энергетических уровней других, более сложных атомов.

Молекула Водород Н2 состоит из двух атомов, соединенных ковалентной химической связью. Энергия диссоциации (то есть распада на атомы) составляет 4,776 эв. Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414Е. При высоких температурах молекулярный Водород диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). Атомарный Водород образуется также в различных химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако существование Водорода в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы Н2.

1. История

Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха». Но что это такое, он объяснить не мог. Теперь известно, что это был водород. «Водород представляет пример газа, - писал Д.И. Менделеев, - на первый взгляд не отличающегося от воздуха... Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же, как и воздух; но, при ближайшем знакомстве с его свойствами, этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха».

Английские химики 18 в., Генри Кавендиш и Джозеф Пристли, заново открывшие водород, первыми изучили его свойства. Они обнаружили, что это необычайно легкий газ - он в 14 раз легче воздуха.

В декабре 1783 Шарль в сопровождении физика Франсуа Робера в присутствии 400 тысяч зрителей предприняли первый полёт на воздушном шаре, заполненном водородом. Гей-Люссак (также совместно с физиком Жаном Батистом Био) поставил в 1804 рекорд высоты, поднявшись на 7000 метров.

Но водород горюч. Более того, его смеси с воздухом взрываются, а смесь водорода с кислородом называют даже «гремучим газом». В мае 1937 пожар за несколько минут уничтожил гигантский немецкий дирижабль «Гинденбург» - в нем было 190 000 кубометров водорода. Тогда погибло 35 человек. После многих несчастных случаев водород в воздухоплавании больше не используют, его заменяют гелием или горячим воздухом.

При горении водорода образуется вода - соединение водорода и кислорода. Это доказал в конце 18 французский химик Лавуазье. Отсюда и название газа - «рождающий воду». Лавуазье также сумел получить водород из воды. Он пропускал водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединялся с железом, а водород выделялся в свободном виде. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом - с помощью электролиза.

2. Методы производства водорода

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

К ним относятся:

паровая конверсия метана и природного газа;

газификация угля;

электролиз воды;

пиролиз;

частичное окисление;

биотехнологии;

Глубинный газ планеты.

В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов. Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

Электролиз воды

Электролиз воды - один из способов получения водорода. Вода разлагается на кислород и водород под действием электрического тока.

Электролиз воды: теоретические аспекты

Расчет энергозатрат на электролиз воды различными способами:

1. По теплотворной способности водорода.

2. По энергиям связей в молекулах.

3. Из законов электролиза.

Выход реакции по току.

Миф I. Одноатомный водород.

Миф II. Сверхэффективный электролиз.

Производительность системы по гидроксигазу.

Энергетическая эффективность процесса электролиза (КПД электролизера).

Расчет необходимых энергозатрат на электролиз воды можно вести многими способами. Ограничимся тремя принципиально различными. Во-первых, памятуя о существовании закона сохранения энергии, можно рассчитать энергозатраты на электролиз через данные о теплотворной способности водорода как топлива. Используются результаты, полученные методом калориметрии - сколько энергии выделяется при горении водорода, столько же ее должно быть поглощено при его получении путем электролиза. Во-вторых, расчет энергозатрат можно вести по данным резонансной спектроскопии, поскольку при электролизе разрываются одни связи (с разрушением молекул воды) и замыкаются другие (с образованием молекул газов), а в настоящее время энергии каждого вида связи известны. В-третьих, можно произвести расчет, используя законы электролиза Фарадея и некоторые физические константы. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы, а также погрешности.

Первый способ (по теплотворной способности водорода)

Продуктами сгорания любого углеводородного топлива являются углекислый газ и вода. В термодинамике и теплотехнике различают низшую и высшую удельную (т.е. отнесенную к единице количества) теплотворную способность топлив. Низшая теплотворная способность включает в себя тепло, полученное при горения топлива и охлаждения продуктов реакции до температуры топлива без учета теплоты конденсации паров воды. Высшая теплотворная способность включает в себя помимо низшей еще и теплоту конденсации паров воды в жидкую фазу и охлаждения ее до температуры топлива. Температура топлива принимается равной 15°C. Критерий низшей теплотворной способности используется в теплотехнике, поскольку продукты горения топлив как правило удаляются из теплообменников с заведомо высокой температурой и теплота конденсации паров воды для потребителей недоступна. В нашем же случае необходимо воспользоваться критерием высшей теплотворной способности водорода. Логика очевидна - для электролиза мы берем в составе электролита жидкую воду, следовательно после всего круговорота поглощения и выделения энергии мы к ней же должны и вернуться.

Высшая теплотворная способность водорода составляет 33850 ккал/кг = 33850 ккал/кг * 4,2 Дж/кал = 142,2 Мдж/кг (источник). Один килограмм водорода при н.у. (нормальные условия - давление 101325 Па, температура 273,15К) при плотности 0,0899 г/л (источник) имеет объем 11124 литра. Гремучий газ по объему на 2/3 состоит из водорода и на 1/3 из кислорода. Поскольку горючим компонентом является только водород, то при сгорании гремучего газа выделяется энергия = 2/3 * 142,2 Мдж/кг : 11124 л/кг = 8522 Дж / л = 8522 Вт*сек / л = 8522 Вт * (час / 3600) / л = 2,37 Вт*час / л.

Второй способ (по энергиям связей в молекулах).

Энергия связи в молекуле водорода составляет 432 кДж/моль (источник), в молекуле кислорода - 493 кДж/моль (источник). В молекуле воды есть две равноценных связи O-H. При последовательном их разрыве энергия первой разрываемой из них составит 495 кДж/моль, второй - 435 кДж/моль. В расчетах берут среднее значение 465 кДж/моль (источник).

При электролизе 2 моль воды превращаются в 2 моль водорода и 1 моль кислорода - суммарное уравнение реакции:

В двух молекулах воды разрываются 4 связи О-Н, в образовавшихся продуктах замыкаются две связи Н-Н и одна О-О. Уравнение энергобаланса должно выглядеть следующим образом:

Энергия электролиза - Энергия разрыва связей + Энергия образования связей = 0

Энергия электролиза - 2*465 кДж/моль * 2 моль + (432 кДж/моль * 2 моль + 493 кДж/моль * 1 моль) = 0

Энергия электролиза = 503 кДж.

Эта энергия идет на образование гремучего газа (2 моль водорода и 1 моль кислорода). Один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л (источник). Таким образом, суммарный объем гремучего газа, полученного из двух молей воды, составит 2 моль * 22,4 л/моль + 1 моль * 22,4 л/моль = 67,2 л.

Энергия получения гремучего газа = 503 кДж/67,2 л = 7,485 кДж/л = 7,485 * 1000 * Вт * сек / л = 7485 * Вт * (час/3600) / л = 2,08 Вт*час/л.

Третий способ (из законов электролиза).

По закону электролиза Фарадея для получения одного грамм-эквивалента любого вещества в электрохимической ячейке необходимо перенести 96485 Кл заряда (источник).

Электрохимический процесс - это всегда совокупность двух (групп) реакций - окисления и восстановления. Заряд при этом переносится от одной химической сущности, находящейся на аноде, к другой, пребывающей на катоде. Таким образом, правильнее будет сказать, что при переносе 96485 Кл заряда получается один грамм-эквивалент вещества на аноде и один грамм-эквивалент вещества на катоде. В случае электролиза воды - это совокупность водорода и кислорода, т.е. гремучий газ.

Масса одного грамм-эквивалента водорода - 1 грамм (1/2 моль), что соответствует объему 11,2 литра (н.у.). Масса одного грамм-эквивалента кислорода - 8 граммов (1/4 моль), что соответствует объему 5,6 литра (н.у.). Следовательно, при прохождении 96485 Кл заряда выделяется 11,2 л + 5,6 л = 16,8 литров гремучего газа, а значит для его получения удельные затраты электричества (заряда) составят 96485 Кл : 16,8 л = 5743 Кл / л.

Теперь необходимо вспомнить, что заряд в электрохимической ячейке переносится сторонними силами (ЭДС источника для электролиза) против градиента электрохимического потенциала. Говоря проще, для переноса заряда в данном случае нужно приложить некоторое электрическое напряжение, минимально необходимая величина которого равна сумме равновесных потенциалов реакций на противоположных электродах. В случае воды минимальная ЭДС составляет 1,23 В (Якименко Л.М. Электролиз воды, стр.38) и не зависит от рН среды используемого электролита.

Энергозатраты на получение гремучего газа:

1,23 В * 5743 Кл / л = 7064 В*А*сек / л = 7064 Вт*(час / 3600) / л = 1,96 Вт*час/л.

Метод расчета	Энергозатраты, Вт*час/л
1. По теплотворной способности водорода	2.37
2. По энергиям связей в молекулах	2.08
3. Из законов электролиза	1.96

В качестве эталона энергозатрат мы предпочитаем минимальную теоретически необходимую для электролиза энергию 1,96 Вт*час/л. Оценка КПД в данном случае - самая худшая из всех возможных, но в случае с проверкой КПД наших установок мы идем на это намеренно.

Попутно с освещением вопроса энергозатрат при электролизе воды необходимо вспомнить о таких понятиях как выход реакции по току и энергетическая эффективность процесса (КПД).

3. Выход реакции по току

Выход электрохимической реакции по току представляет собой отношение количества электричества (в кулонах, ампер-часах или любых других внесистемных единицах), потраченного на получение некоторого количества вещества, к теоретически необходимому для этого получения количеству электричества.

Выход по току не может превышать 100%. Причиной снижения этого показателя (в отсутствие прямых утечек тока при коротком замыкании через электролит) может быть прохождение на электроде других электрохимических реакций, не дающих данного целевого продукта. При электролизе воды в электролите всегда есть некоторое количество растворенных кислорода и водорода в молекулярной форме, т.е. в форме незаряженных молекул, не образующих отдельной фазы. Отсутствие заряда и процессы диффузии приводят к тому, что часть выделившегося при электролизе кислорода может восстанавливаться на катоде, а часть полученного водорода - окисляться на аноде. При отсутствии в ячейке разделительной диафрагмы и сравнительно небольшой толщине слоя электролита затраты тока на эти конкурирующие реакции могут составлять от 3 до 5%. Таким образом, токовый выход бездиафрагменных электролизеров не может превышать 95-97%. Все конструкции электролизеров для получения гидроксигаза на борту авто именно бездиафрагменные и с тонким слоем электролита в ячейках. Кроме того подавляющее большинство из них - проточные, а значит имеющие утечки тока еще и по конструктивным причинам - вследствие шунтирования по электролиту. Вследствие этого токовые выходы должны быть еще ниже, особенно на малых токах (подробнее).

Миф I. Одноатомный водород.

Многие производители систем для получения гидроксигаза на борту авто уверяют потенциальных покупателей в том, что в их системах получается именно химически активный одноатомный газ (ННО), состоящий в основном из атомов водорода и кислорода, а не молекул. При этом приводятся такие данные о соответствии скорости выработке газа и потребляемого системой тока, которые соответствуют почти 200%- ному токовому выходу. Если поверить в одноатомность этого газа, которая неявно предполагает удваивание объема по сравнению с обычным двухатомным, то данные о производительности по току выглядят как будто бы убедительно. Попробуем разобраться.

При повышении температуры все большая доля молекул распадается на атомы. Порядок энергии связи в молекулах таков, что даже при температуре в 2000°C степень диссоциации (распада) молекул на атомы составляет для водорода и кислорода 0,081% и 0,03% соответственно, полная диссоциация наблюдается при температуре на короне Солнца - выше 6000°C (источник (водород), источник (кислород)). Таким образом говорить об одноатомном гидроксигазе при температуре заведомо более низкой невежественно до неприличия. Учитывая это, нужно с необходимостью признать, что если предлагаемые системы и тестировались производителями, то приведенные значения результатам этих тестов не соответствуют и явно завышены.

Миф II. Сверхэффективный электролиз.

Существуют прецеденты, когда производители публикуют данные о производительности своих систем, не ссылаясь на одноатомность получаемого газа, но анализ этих данных также приводит к выводу о токовой сверхэффективности. В качестве объяснения этого феномена, если об этом и возникает разговор, предлагается невыполнение законов электролиза Фарадея, в частности в системах, разработанных для так называемого резонансного электролиза в объеме электролита или даже просто чистой воды. Несмотря на обилие в Интернете материалов, посвященных данным технологиям, в том числе и патентов на изобретения, нигде не описана достаточно внятная и научно обоснованная теория вопроса и не проведено результатов сколько-нибудь серьезной экспериментальной экспертизы. Таким образом, приведенные данные о производительности систем также кажутся подозрительными.

4. Производительность системы по гидроксигазу

Какова же должна быть зависимость между величиной тока, подаваемого в электролизер, и его производительностью по гремучему газу в идеале?

Вспомним из предыдущего изложения, что для получения при нормальных условиях одного литра газа в одной электрохимической ячейке через нее необходимо пропустить 5743 Кл электричества. Какая сила тока должна быть подана на ячейку, чтобы это количество заряда прошло через нее за одну минуту?

5743 Кл = 5743 А*сек = 5743 А*(мин/60) = 95,72 А*мин.

Т.е. для производительности одной ячейки по газу в один литр в минуту необходима сила тока 95,72 А. Это достаточно большая величина. Уменьшить ее можно, набирая ячейки в секцию с последовательным электрическим подключением. Тогда во сколько раз увеличено количество ячеек, во столько же раз можно уменьшить ток для получения того же объема газа в минуту.

При последовательном соединении проводников суммарное падение напряжения в цепи равно сумме падений на элементах. В реальных условиях падение напряжения на одной ячейке составляет нескольким более 2 вольт. Целесообразно собирать системы в среднем из 6 (коммерческие варианты от 5 до 7) или 12 (10-14) ячеек - при бортовом напряжении автомобилей 12(14) или 24(28) вольт.

Предположим, мы имеем идеальный по токовому выходу электролизер, имеющий 6 последовательно соединенных ячеек. Для получения производительности этого электролизера по газу в один литр в минуту он должен потреблять ток 95,72/6 = 15,95 ампер. Если учитывать, что при электролизе в предлагаемых системах получаемый газ имеет как минимум комнатную температуру, то получается очень просто запоминаемое соотношение:

6 ячеек - потребление тока 15 ампер - выход газа 1 литр в минуту.

Если используется идеальный по токовому выходу электролизер с 12 ячейками, то производительность по газу при том же токе удваивается:

12 ячеек - потребление тока 15 ампер - выход газа 2 литра в минуту.

5. Энергетическая эффективность процесса электролиза (КПД электролизера)

Как было отмечено выше, минимальное напряжение, при котором процесс электролиза воды может происходить в одной электролизной ячейке, составляет 1,23 вольта - это так называемый равновесный потенциал обратимой реакции. В реальных условиях для электрохимического получения достаточных количеств продуктов необходима существенно большая разность потенциалов, связанная с явлениями поляризации электродов (перенапряжение). Но мы не будем вникать в тонкости электрохимической кинетики.

КПД электролизера численно равен отношению минимально необходимой для получения единицы массы вещества электрической энергии к практически затрачиваемой, выраженному в процентах.

Приложение разности потенциалов (напряжения) к электродам позволяет перенести некоторый заряд, поддерживая некоторую силу тока через ячейку в течение некоторого промежутка времени. Очевидно, чем меньшее напряжение будет приложено и чем больший токовый выход будет иметь место при всех прочих равных условиях, тем больше будет и энергетическая эффективность процесса. Таким образом, максимальный КПД может быть получен при напряжении на ячейке, равном равновесному потенциалу (1,23В), при 100%- ном токовом выходе.

Основываясь на предыдущем изложении, получаем формулу:



U - среднее напряжение на электролизере [В], I - ток через электролизер [А], t - время [сек], в течение которого производится объем газа V[л], 7060 Дж/л - минимальная энергия для производства одного литра газа при нормальных условиях.

Поскольку в реальных условиях одна и та же масса газа будет иметь разный объем в зависимости от его температуры и атмосферного давления, необходимо делать соответствующую поправку (источник)

В следующем выражении учтены температура газа и атмосферное давление:

Когда нами проводились эксперименты с целью отработки конструкции электролизной системы, было сделано несколько опытов для проверки правильности расчетов ее КПД. Для этого в лабораторных условиях электролизер какой-либо очередной конструкции, соединенный с ним резервуар электролита (термостатирующий контур не подключен), а также газоотводящий шланг и барботер с водой для промывки газа термоизолировались пенопластом или вспененным полиэтиленом, после чего через электролизер подавали постоянный ток 25-35 ампер (стабилизация по току) в течение продолжительного времени - 30-50 минут. Поскольку КПД электролизера заведомо был ниже 100%, часть мощности тратилась на нагревание. Были известны - время эксперимента (электронный секундомер), исходная и конечная температура электролита и всех частей установки, включая технологические жидкости (прямое измерение), а также их масса (прямое измерение) и теплоемкости (справочные данные по использованным материалам), кроме того, в течение эксперимента через короткие интервалы времени регулярно измерялись рабочее напряжение (мультиметр) и стабилизированный ток (амперметр с шунтом 50А, 75 мВ). Производительность по газу определялась с помощью газовых часов. Атмосферное давление определялось бытовым барометром. После очередного эксперимента по данным о темпе газовыделения, токе и усредненном по времени напряжении делался расчет КПД (метод законов электролиза). Параллельно производился и расчет калориметрическим способом - по темпу тепловыделения. Последний метод всегда давал завышенное значение КПД системы по сравнению с первым, очевидно, вследствие неучтенных теплопотерь. Однако, расхождение результатов расчетов не превышало 10-12%.

6. Электролизер

Изобретение относится к устройствам для получения водорода и кислорода электролизом воды. Электролизер включает корпус, размещенные в нем последовательно соединенные между собой ячейки, состоящие из катода, анода, размещенной между ними газозапорной мембраны, насосы для циркуляции щелочного электролита, емкости с щелочным электролитом, систему подачи воды, устройство для отделения кислорода от паров воды и щелочи и устройство для отделения водорода от паров воды и щелочи. Анод каждой из ячеек выполнен в виде трубы из сетчатого материала, а катод - в виде полого цилиндра из пористого гидрофобизированного материала. Причем анод и катод каждой из ячеек размещены вплотную к газозапорной мембране с образованием катодной газовой полости между внешней стороной катодов и корпусом, соединенной с емкостью гидрозатвора, емкостью щелочного электролита и устройством для отделения водорода от паров воды и щелочи. Ячейки соединены анодными полостями с теплообменником и с емкостью щелочного электролита, которая, в свою очередь, соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи и системой подачи воды. Изобретение обеспечивает снижение потребляемой мощности, повышение производительности, надежности и безопасности эксплуатации. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Заявляемое техническое решение относится к технологии электрохимических производств, а именно к устройствам для получения водорода и кислорода методом электролиза воды.

Известен электролизер воды трубчатого типа по патенту РФ на изобретение №2258767 (класс МПК С25В 1/04, приоритет 19.03.2003 г.) для получения водорода и кислорода путем электролиза воды, который содержит герметичную емкость с электродами, крышку, входные и выходные трубки. Электролизер снабжен регулятором уровня жидкости, выполненным в форме трубки, соединенной с герметичной емкостью, заполненной дистиллированной водой, с возможностью автоматического регулирования уровня жидкости в емкости электролизера при помощи вакуумного клапана. Электролизер соединен с емкостью жидкой щелочи через дозатор, снабженный соленоидом и реле времени. Электролизер соединен также с горелкой при помощи выходных труб, расположенных на разных уровнях и выполненных с возможностью раздельного извлечения из воды водорода и кислорода, полученных в процессе электролиза и перемещения их при помощи вакуум-насосов.

Недостатком данного электролизера является низкие производительность, надежность и долговечность.

Конструкция электролизера по патенту США на изобретение №7510633 (класс МПК С25В 1/10, приоритет 21.02.2003 г.) для получения водорода и кислорода, принятая за прототип, включает в себя катод трубчатой формы, анод - в виде стержня, мембрану, анодную и катодную полость с электролитом, водородный и кислородный коллектор, насос для электролита.

Перед началом работы электролизера, в анодную и катодную полости ячейки между которыми установлена мембрана, подается раствор электролита. Затем на электроды подается электрическая нагрузка. Электролит в анодной и катодной полости ячейки циркулирует при помощи насоса. Газовые пузыри, выделившиеся на электродах, совместно с электролитом, покидают ячейку через газовые каналы. Далее в кислородной и водородной емкостях газ отделяется от электролита, после чего газ поступает в баллон (либо иную емкость), а электролит собирается в общую емкость и с помощью насоса используется в дальнейшей работе.

Недостатками данного устройства являются:

- излишние энергетические затраты, из-за наличия расстояния между электродами (за счет анодной и катодной полостей), следовательно и рост сопротивления, что увеличивает потребляемую мощность и снижает производительность устройства;

- наличие высоких токов утечки, так как использование в конструкции электролизера общего электролитного коллектора заполненного раствором электролита, снижает производительность в целом всей установки.

Задачей заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды (водного раствора щелочи), является снижение потребляемой мощности, повышение производительности, а также надежности и безопасности в эксплуатации.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в электролизере для получения водорода и кислорода из воды включающем ряд последовательно соединенных ячеек, состоящих из катодов трубчатой формы, анодов выполненных в виде трубы, мембраны между катодом и анодом, исключающей смешивание выделившихся газов, анодной и катодной полостей, насосов для циркуляции электролита, емкости с щелочным электролитом, устройств для отделения газов от электролита, согласно заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды, набор из нескольких ячеек помещен в корпус. Анод и катод в ячейке плотно прилегают к газозапорной мембране, в качестве анода используется труба, выполненная из сетчатого материала (для легкого прохождения выделившегося анодного газа через анод), а в качестве катода - полый цилиндр из пористого гидрофобизированного материала. Анодные полости ячеек, заполненные электролитом, последовательно соединены между собой и с емкостью щелочного электролита, которая в свою очередь соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи, системой подачи воды и теплообменником. Катодная полость образована внешней стороной катодов ячеек и корпусом. Она не заполнена электролитом, является газовой и соединена с емкостью гидрозатвора и устройством для отделения водорода от паров щелочи и воды. Движение электролита в анодной полости осуществляется за счет эффекта «аэролифта». Для снижения напряжения электролизера, и, как следствие, уменьшения энергетических затрат, на поверхность анода и внутреннюю поверхность катода может быть нанесен катализатор.

Существенным отличием заявляемого устройства является то, что электроды плотно прилегают к газозапорной мембране, а анодная полость представляет собой трубу, заполненную электролитом. Также в данной конструкции хоть и находится общий электролитный коллектор, образованный соединением анодных полостей ячеек друг с другом, но в связи с тем, что выделившийся газ вспенивает электролит, площадь сечения электролитного моста в местах соединения ячеек-электролизеров значительно меньше, что в значительной степени снижает токи утечки и как следствие, энергозатраты, увеличивая производительность установки в целом. Кроме того, предлагаемая конструкция легко размещается в трубе небольшого диаметра, которая является одновременно и корпусом, обеспечивая повышенную прочность при незначительной толщине стенки и, соответственно, способствует снижению массы электролизера.

Между собой ячейки могут быть электрически соединены последовательно или параллельно. Последовательное соединение предпочтительней.

На рис. 1 изображено заявляемое устройство, на рис. 2 на виде А-А показан корпус и ячейка в разрезе.

Заявляемая конструкция электролизера для получения водорода и кислорода из воды включает в себя следующие элементы: корпус (1) в виде трубы, например, круглого сечения, размещенные в нем ячейки (2), соединенные между собой последовательно. Емкость с раствором щелочного электролита (3) в которой с помощью насоса подающего воду (4), поддерживается необходимая для работы электролизера концентрация электролита, поступающего с помощью насоса (5) из гидрозатвора (емкости с конденсатом и раствором щелочи) (6). Электролит для поддержания рабочей температуры электролизера, циркулируя через теплообменник (7), подается в ячейки (2). Для циркуляции электролита, в случае необходимости, включается насос (8). Устройство для отделения водорода от щелочи и паров воды (9) соединено с гидрозатвором (6) и катодной полостью (10) заявляемого электролизера. Устройство для отделения кислорода от щелочи и паров воды (11) соединено с емкостью с раствором щелочного электролита (3). На корпусе установлены токовыводы (12) для подачи нагрузки.

На рис. 2 (вид А-А) в разрезе показан корпус (1), например, круглого сечения, находящаяся в нем ячейка (2), представляющая собой катод (13) в виде цилиндра из пористого гидрофобизированного материала, анод (14) в виде трубы и расположенную между ними без зазора газозапорную мембрану (15). В анодной полости (16) ячейки (2) находится электролит, а внешняя сторона катодов (13) ячеек (2) и корпус (1) образуют катодную полость (10) электролизера.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В корпусе (1) ячейки (2), число которых определяется необходимой производительностью электролизера, соединены между собой электрически последовательно. Кроме того, ячейки (2) последовательно соединяются между собой и по анодной полости (16), в которой циркулирует электролит. Катодная полость электролизера (10) является газовой, на дне которой собирается конденсат и раствор электролита, просочившийся через поры катода (13). Циркуляция электролита происходит за счет движения выделяемого при электролизе газа (эффект аэролифта) и при недостаточной подъемной силе возможно включение насоса (8). Для поддержания определенной рабочей температуры электролизера, электролит проходит через теплообменник (7). Электролит в виде пены попадает в емкость с раствором электролита (3), откуда, освободившись от газа, заново попадает в ячейки (2). Выделяясь, катодный газ насыщается парами воды и частично выносит щелочь из электролизера, некоторая часть которой конденсируется на стенках корпуса (1). Затем конденсат стекает в емкость гидрозатвора (6), далее при помощи насоса (5) перекачивается в емкость с раствором щелочного электролита (3). Для поддержания заданной концентрации электролита в анодных полостях (16) ячеек (2) в емкость с раствором щелочного электролита (3) подается вода при помощи насоса (4). Наработанные водород и кислород отводятся из электролизера для дальнейшего их использования, предварительно удаляя из них остатки щелочи и пары воды, соответственно в устройствах (9) и (11).

В качестве материала для анода была применена никелевая сетка с нанесенным на нее катализаторм - серебром, для катода полый цилиндр из пористого никеля, покрытый с внутренней стороны платино-родиевым катализатором, а газозапорной мембраны - кремнесодержащий волокнистый материал с добавлением фторопласта.

Как показали испытания, использование заявляемой конструкции электролизера позволяет:

- снизить до 7% потребляемую мощность и до 5% повысить производительность. Это достигается в заявляемой конструкции электролизера за счет плотного прилегания электродов (анода и катода) к газозапорной мембране и сокращения площади сечения электролитного моста в местах соединения ячеек, за счет того, что выделившийся в процессе работы электролизера газ вспенивает электролит в общем электролитном коллекторе. Это позволяет в значительной степени снизить токи утечки и, как следствие, энергозатраты, тем самым увеличивая производительность установки в целом;

- за счет использования единого корпуса, в котором размещаются ячейки, конструкция содержит меньше соединительных элементов вне корпуса электролизера, что позволяет снизить массо-габаритные характеристики, повысить надежность и безопасность электролизера в эксплуатации.

Рис. 1



Рис. 2

7. Сравнение метода получения водорода путем электролиза воды с другими методами

Наиболее распространенным и глубоко исследованным электрохимическим методом получения водорода является электролиз. Он позволяет получать газ чистотой до 99,9% и может быть экономически выгоден при невысокой стоимости электроэнергии. Поэтому метод широко применяется в странах, обладающих внушительными гидроресурсами. Самые крупные электрохимические комплексы расположены в Канаде, Египте, Индии, Норвегии, но также работает множество мелких электролизеров во многих странах. Это наиболее универсальный метод в отношении применения первичных источников энергии. Развитие атомной энергетики удешевляет электричество, следовательно, может повлечь за собой расцвет электролиза воды.

Электролиз имеет ряд преимуществ перед другими методами получения водорода:

Высокая чистота продукта - до 99.9%

Простота и непрерывность технологического процесса, возможность автоматизации, отсутствие подвижных частей в электролизере

Получение ценных отходов - кислорода и тяжелой воды

Дешевое сырье - вода

Продолжительный срок эксплуатации электролизеров (минимум 10 лет)

Заключение

производство водород электролиз

Развитие электромобильного транспорта и соответствующей зарядной инфраструктуры на сегодняшний день идет довольно активно во всем мире. Однако не все так идеально, как нам кажется.

Из-за выбросов на электростанциях электромобили не менее вредны для экологии, чем машины с двигателем внутреннего сгорания.

Сегодня, если электромобилей станет много, то на них не хватит электроэнергии, ведь электромобиль потребляет примерно столько электроэнергии в день, сколько потребляет в среднем двухкомнатная квартира за неделю. Но все равно это дешевле примерно в два раза, нежели содержать автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль в среднем на 50% чище и на 80% энергоэффективнее своих аналогов с двигателем внутреннего сгорания. Электромобили очень дороги и затраты на них довольно большие. Помимо их рыночной стоимости и затрат на замену расходных материалов, придется приберечь деньги на замену аккумуляторов, которые стоят в среднем 10.000$, а их замена требуется раз в 4 года. К тому же при ДТП эти аккумуляторы представляют угрозу окружающим, помимо взрыва они выделят химические вещества входящие в состав аккумулятора.

Но прогресс не стоит на месте, и с каждым годом мы видим новые изобретения, уменьшающие минусы, и добавляющие плюсы к технологиям электромобилей. Возможно, в ближайшем будущем электромобиль на литиевых аккумуляторах станет одним из самых эффективных, востребовательных и даже недорогих автомобилей в мире. Но пока что электромобили не являются таковыми.

Размещено на Allbest.ru

...