1598005413-fed7095c5cc635c55b82ef4e37ea2648 (811209), страница 29
Текст из файла (страница 29)
оно удвоилось. В перспех. тиве ожидается увеличение потребления водорода для тради. ционных целей до 80-100 млн. т (14], Кроме того, появятся новые области потребления водороде. Ожидается, что это будет прежде всего энергетика, автомобиль. ный и авиационный транспорт, металлургия. В энергетике водород может найти применение в ядерно-тех.
нологических водородных комплексах, на пиковых электре. станциях, для аккумулирования энергии возобновляемчх источников, в автомобильной и авиационной промышленное. тях — как добавка к традиционному топливу или как топливо, е металлургии — для получения металлов методом прямого восстановления руд. Общее производство водорода в 2000 г. прогнозируется е 155-265 млн. т (81]. При этом возрастет потребность в чистов водороде в химической и нефтехимической промышленноств металлургии, электронной технике, энергетике, соответственве возрастет доля водорода, производимого электролизом. В данной главе будут проведены технико-экономическв ве оценки использования электролиза воды для сглаживаив вх графика нагрузок в энергосетях.
З.х. Электэплиз воды Характер электродных реакций зависит от типа электролита. К настоящему времени используются электролизеры с щелочньм электРолитом, разработаны электролизеры с твердополимериым электролитом и разрабатываются электролизеры с расплавленным и твердооксиднйм электролитом. 3.2.1. Энергетические характеристики электролизных ячеек ц электролизеров. Напряжение электролизера определяется уравнением (1.45) (/=Е, +/ьЕ, + Л(/ Значения стандартных ЭДС Е, были приведены ранее в О габл. 2.2. Мощность электролизной ячейки г( = (Л. (3.2) Важным удельным показателем является плотность мощноспе е П'(г' (3.3) У дельный расход электрической энергии ьц' на получение водорода (на 1,моль), на единицу объема, кВт ч/м', массы водоро.
на, кВт ч/кг, и условного топлива в тоннах, МВт ч/т, составляет: )Умоль = ~'(//Чг = 53,6 (//Ъ; (3.4а) ~д', 2Е(/10е/22 4в 2,394(//Пг ' )У4 = Етое/и = 26,8(//0г; (3.4б) (3.4в) (3.4г) где де 0~ - фарадеевский коэффициент, или выход по току, т.е. отНоше ение количества полученного водорода к рассчитанному по 157 При подключении электрохимической ячейки к источнику постоянного тока при некотором напряжении, называемом ,апряжением разложения, начнется электролиз (э 1.1). При электролизе воды на катоде выделяется вбдород, на аноде — кислород, а в сумме идет реакция разложения воды: 2НтО 2Нт + Ох.
(3.1) уравнению Фарадея количеству водорода. Снижение фзр деевского КПД в электролизере обусловлено взаимным проник новением газов к противоэлектродам, потерями на токи утех ки в Раздающих квнвлах циРкУлиРУющего электРолита, потеРэд водорода и кислородв через неплотности и др. Удельное тепловыделение электролизера, Вт ° чlмоль в кВт ч/м', можно рассчитать по уравнениям: (смоль = 53~6(П - Еэн) РН2О Н2О Н2О 15 1аь 1Г = + 22,4 1,5, (3.11) РН О 2 „1е Ол, 0 — КПД, учитывающие потери энергии на выпрямле„ве тока и расход на собственные нужды. расход воды нв получение единицы объема водорода ьг 2 Н О У „,ажно рассчитать по закону Фарадея учитыввя при этом потери оды с потоками газов (7У = 2,394(П - Е,н).
Удельное тепловыделение в единицвх тепла, МДж/мз, Яг = 2,059(П - Е,н). (3 56) (3.6) = ((/ Е н)Е (3,7) Удельная скорость тепловыделения нв единицу площади поверхности электродов (плотность теплового потока), МДж/и', рассчитывается по уравнениям: (3.8в) 1гл ((/ — Е,н) уг, Р(лт 0186((/ Еан) Зг (3.86) При расчете энергетических характеристик электролизерсэ учитываются энергия, используемая на собственные нужди (насосы, автоматика, системы охлаждения и т.д.), а также потери энергии при трансформвции и выпрямлении тока.
КПЛ современных выпрямителей составляет 0,95-0,97 [69). Значения КПД преобразоввния энергии в ячейке можно опрех(влить по уравнению (3.9) Ч = (Е,н/(/)О,. Значение КПд преобразования энергии в электролизерс рассчитывается по уравнению (3.16) и, (Е,н/Цдг0,д„ 15$ Скорость тепловыделения (тепловая мощность) ячейки, кВт, определяется по уравнению где Р - общее давление газов' р О = 0,805 кг/м — плотность ° н2О сэров воды над раствором; РН вЂ” парциальное давление воды ээд раствором; коэффициент 1,5 учитыввет унес воды с Н2 и О2. Подставив численные значения, получим )лу, кг/мэ: Н20 Му - 0,8036 + 1,207 (Рнто/(Р— Рнхо)) (3.11а) или Н2О Яу О 8036 (1 + ' 5Рн о/(Р— Рн о)) Н20 Н2О (3.11б) О~ам = Дэл/аБг (104+ 73) 10 'Уг1ьл (3.12) где Яг, мл — габаритная площадь поверхности электродов; (м, м — расстояние между электродами; Хг, А/мл - габаритная плотность тока.
При работе электролизера в раствор поступают газовые пузырьки, что вызывает увеличение омического сопротивления и соответственно падения напряжения. Газосодержание раствора эзстет с увеличением плотности тока, соответственно растут и смнческие потери. Например, при увеличении плотности тока с 14 160до ЗОООА/мл удельное сопротивление (1/а) возрастает в 1 1- Р ~4 раза (69].
Гвзоседержание электролита зависит также от хсн снфигурацин и структуры электродов и температуры (13). 159 3.2.2. Электролизеры со щелочным электролитом. Электролитам в электролизных ячейках служат растворы 5-10 М КОН. С учетом данных об оптимальной удельной электрической проводимости растворов при температурах 50-80'С (см. 2 2.3) омические потери напряжения в свободном электролите можно оценить по уранвению Н Н Н Н Н. о о о Н Н Н Н ! ! ! О О О ! ! 1 — гр — о — гр — о — гр— 160 Рис. 3.1. Структурная форыула полноту~ манон кислоты Катод обычно отделяется от анода пористой диафрагмой Наиболее распространенным материалом диафрагм до послед.
него времени был асбест. Диафрагма вызывает дополнительно падение напряжения, которое зависит от пористости диафр мы. Из-за газоссдержания и наличия диафрагмы омическ падение напряжения в ячейке в 1,5-2,5 раза выше паденн„ напряжения, рассчитанного по (3.12). Асбестовая диафрщм недостаточно устойчива при температуре выше 80'С. Для боле высоких рабочих температур предложены и изучаются мембра.
ны на основе гидрофилизированного пористого фторопласта [86 ! с. 317-319; 164, с. 323-327], гексатитаната калия К2Т[6013 с фторо. пластовым связующим [14; 90, с. 1194-1198; 164, с. 199-219) пористых металлокерамических материалов [оксидов никеля оксидов металлов ПА, ]уБ и ЧБ групп, например, ([з[10)0 95'(Т[02)02~ [14; 86, с. 258-270;! 71; 164, с. 268-282), СаТ[03, ВаТК)3 [[75, с.
686) пОлисурьмЯнОй КиСЛОтЫ [Н(Н20)„)125Ь12036 [20, с. 53; 103; 174, с, 26-3 Ц. Полисурьмяная кислота имеет структуру, приведенную на рис. 3.1. Анионный каркас кислоты имеет цеолитоподобнув структуру с диаметромполостей(2,6+3,0) 4 мкм, в которых рас. положены молекулы воды, способные протонизировать подвиж. ные ионы водорода групп ВЬОН. Полисурьмяная кислота имеет высокую протонную проводимость благодаря высокой конствхь те ее электролитической диссоциации и эстафетному переносу протона.
Мембрана химически устойчива в щелочи при 120'С более 10 000 ч [95, с. 110). Некоторые характеристики диафрагм приведены в табл. 3.2 Большой разброс по данным об электропроводности обусловлен разной структурой, а иногда и составом диафрагм. т а б л и да 3.2. хаРактеРистики некоторьгх диаФРагм ивя пзллочных электродиэероа Толщина, и Устой- удельная электрическая Литература чивость проводимость при указан(пре- ных условиях дельные темпе- СКОН„Т, 'С о, ратуры), М Ом 'м ' 'С „1 ериал Ввафра™ 10 10-з (3+4) ° 10 э 80-100 200 200 Асбест фторопласт Х2716О13 с фторопластом (2,5+4) ° 10 э 150 Полисурьмзь вэя кислота (4+7) ° 10"э 300 Окисленный пористый ни- кель 6 ТРО3 25 2 1175, с.
686) 4 ° 10 "э 300 7 Выделение водорода на катоде. Реакция выделения водорода описывается уравнением 2Н20 + 2е- Н2 + 2ОН-, Потенциал электрода (3.13) (3.14) Е + = -(2>ЗЯТ/Г)РН вЂ” (2зЗКТ/2)г)[8Рн Н+УН2 где Рн — давление водорода РН вЂ” водородный показатель. н2 3 Реакция протекает через несколько стадий и по двум параллельным путям. Стадия разряда и адсорбции водорода Н20 +е Над, + ОН . (3.15) Адсорбированный водород затем удаляется с электрода либо путем десорбции-рекомбинации (3.16) 2Надс Н2, ннбо путем электрохимической десорбции Над + Н20 + е Н2+ ОН ° (3.17) 161 6,8 6,8 8 8 8 7 7 7 80 60 25 25 125 25 60 90 80 19,5-19 26-24 1,5 10 15 4-6 6-12 2 4-14 [9] [91 [90, с2194] (164, с.
199] [164, с. 199] [174, с. 26-ЗЦ [174, с. 26-3Ц [95, с. 141; 1621 [82, с. 24Ц (3.18) (3.19) Металл Среда Электрод Плот- ность тока, кА/мл 0,5 М Н2304 0,7 [28] [22, 28] Х! 1 М ХаОН (-1,0)+ +(- 2,4) 0,2 М ХаОН (-1,82)+ + (-2,0) 0,5 М Н2304 -2,5 1МНЗЯ04 ЗЗ 0,5 М Н2304 -2,9 1 М Н2304 -4,3 1М ХаОН +0,6+ [28) + -0,2 0,8-1,6 [28, 32] [28, 22! 0,5-1 М НЗЯО4 1МКОН 0,5М Н25304 О, М НЗЯО4 0,5 М Н2304 Мо Мо Т1 Т! [541 [22) [28] [54! [36] [33] [28! Платнннроаанная р! Х -ПСКс л Сб Парнстый алектрод с № Ренея Хб -Со -ПСК РЗ вЂ” Со - чернь Х! с покрытием №Я Х! -ПСК Сталь пескоструйная 45 60 75 80 25 46 3,3 б 8 0 [32] 0,2-1,5 [28) [341 ПО, с.
56] [34: 36] [34! [Зб] 100 100 80 200 220 6 б З,З б Зз йл 0,7 [28) Р/С 0,5 М Н2304 3,2 0,5 М Н2304 -3,1 (ЗЗЗК) [35, т. 1, с 12В [44! (-2,4)+ [22, 54] )тс +(- 1,8) 162 Если энергия связи водород — металл невелика, то проце лимитируется стадией разряда (3.15). К металлам этой группы относЯтсЯ НЯ,РЬ,Т1,С![ и дР., имеющие небольшУю плотность тока обмена и высокое перенапряжение выделения водоро)са На металлах второй группы (платиновые металлы, И, Мо, ме. таллы группы железа и др.), имеющих достаточно высокую энер, гию связи металл - водород, процесс лимитируется стадиямн (3.16) нли же (3.!7). Плотность тока обмена обычно выше, В перенапряжение водорода на них ниже, чем на металлах первой группы. При оптимальном значении энергии связи металл водород скорость выделения водорода будет максимальной Этому условию ближе всего отвечают металлы платиновой группы, никель и др., плотность тока обмена на них при 298 К лежит в пределах 10 л-10 А/мл (табл.
З.З). Из табл. 3.3 видно, что скорость выделения водорода зависит и от вида ионного проводника. Плотность тока обмена растет, а перенапряжение (поляриза. ция) выделения водорода падает при увеличении температуры. Так, плотность тока обмена водорода возрастает на два порядка при увеличении температуры с 298 до 363 К [14]. Каталитическую активность некоторых металлов можно увеличить легированием другими металлами или неметал. лами, например никеля — серой (%8 ), кобальтом (% - Со), ко.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
