1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (811219), страница 16
Текст из файла (страница 16)
При отсутствии утечек тока все составляющие теплового баланса ячейки без большой погрешности можно выразить в электрических единицах. В ячейке выделяетсь г 1 джоулева теплота. С а г уходящими газами отво- 38 а... дится теплота ф, через холодильники (> л, пу>)сг тем потерь через стенки >)лам Кроме того, в обаг5 р > щем балансе надо учесть отвод энергии в л 1,А виде химической энергии Я„н (теплоть> сгорания пс... вменение теплового баланса нчеанн э «тр лнв в с р в условиях работы ячейнагрувкн ки) полученных водоро- да и кислорода. На рис.
3.2 представлено изменение теплового баланса ячейки (на единицу продукции) при увеличении нагрузки и постоянной температуре. С ростом нагрузки доля потерь теплоты через стенки ~/„в общем балансе теплоты уменьшается, а Яхнгг И Яг ОСТВЮТСЯ НЕИЗМЕННЫМИ. СУММаРНЫЕ ПОТЕРИ ТСПЛОТЫ Сапог=>ч1хнн+Яг+>чст В ЗВВИСИМОСТИ ОТ НатруЗКИ представлены кривой 1. Выделение энергии в ячейке определяется ее вольт-амперной характеристикой (кривая 2).
В точке а энерговыделение и потери равны. При рабо- 78 те в режиме )(), для поддержания постоянной температуры ячейки к ней надо подводить теплоту, а при!)(о необходим отвод теплоты через холодильники. Практически работа электролизера всегда осуществляется при 1) )го. Затраты электроэнергии на единицу продукции при электролизе зависят от плотности тока. С увеличением ! возрастают перенапряжения на аноде и катоде, омические потери, утечки тока и другие потери энергии, что приводит к росту затрат электроэнергии на единицу продукции. В табл. 3.3 приведены в качестве примера затраты энергии на получение водорода в отечественном электролизере типа ФВ-500 в зависимости от плотности тока. Т а б л н ц а 3 3, Характеристики электролнвера ФВ-500 Напряжение на пчеаке, В Расигд анергнн прогнанного тока, кВт ч и Не Плотность тока, кд.н'г Пронаеоднтельаость по аодородт, чг ч' т) ччг =т! >Т1н При отсутствии посторонних реакций, утечек тока и потерь реагентов т)>=1 и т)тп=т)н.
Определяемая таким образом 79 Для количественной характеристики эффективности ра-. боты электролизера используют обычно следующие показатели: коэффициент полезного использования тока («выход по току») г1„ который определяется как отношение количества электричества, теоретически (по закону Фарадея) необходимого для получения единицы продукции, к практически затраченному; коэффициент полезного использования напряжения т1н=Е«/У; коэффициент полезного использования энергии (эффективность процесса электролиза), равный отношению теоретически необходимого количества энергии на получение единицы продукции в адиабатическом процессе при напряжении, равном Еч, и выходе по току т)е>=1 к действительно израсходованному: эффективнзсть при У(Ее может быть больше единицы, так как в этом случае процесс будет идти с поглощением теплоты из окружающей среды.
Поскольку минимальное напряжение ячейки, при котором возможен электролиз, составляет теоретически И=Е„ максимальный теоретический предел т)и составляет т1нтк= =Е,)Ет=ЬНе1ЬСее и, например, при Т=298 К т1итк=!,Об. С увеличением температуры, как видно из рис. 3.1, разность между Е, и Е„а следовательно, и т1нтк возрастают. Г1од КПД электролизера т1, обычно принимают отношение низшей теплоты сгорания 1 мк водорода к количеству электроэнергии, которую нужно затратить для его получения при той же температуре. Таким образом, при электролизе водяного пара теоретически т1,=т1„-, если не учитываются потери в выпрямителях, вспомогательных системах и т. д.
3.2. Основные типы электролиэеров и их характеристики В настоящее время применяется и разрабатывается довольно большое число электролизеров различных типов и конструкций для электролиза воды. По конструкции и схеме включения в цепь электродов все электролизеры можно подразделить на два типа — с монополярными (рис, З,ьа) и биполярными (рис. 3.3,б) электродами.
Электролизеры с монаполярными электродами изготовляют обычно яшичного (баночного), а с биполярными — фильтр-прессного ти- в. В последних анод (катод) каждой ячейки соединен ектрически с катодом (анодом) соседней ячейки, т. е. ейки соединены последовательно. По виду электролита зличают три основных типа электролизеров: с водным ночным электролитом (рабочая температура — до 0 К); с катионообменной мембраной (рабочая темперара — до 423 К); с твердым окисным электролитом, имеюм достаточно высокую проводимость по ионам кислоропри температурах 1100 †13 К. Электролизеры со щелочным электролитом Подавляющее большинство таких электролизеров отнотся к фильтр-прессному типу.
В них применяются два па конструкций электролизных ячеек. В ячейке на с. 3.4,а каталитический слой 2 нанесен непосредственна плоскую биполярную металлическую пластину 3 генерация газа происходит на наружной поверхности калитического слоя; пористая диафрагма-сепаратор 1 укплена на распорках 4 в зазоре, заполненном электроли- Гг1 1814 80 Рис. 3.4. Констрткиии нлектролизных ячеек том. В ячейке на рис.
3.4,б каталитический слой 2 нанесен непосредственно на заполненную электролитом пористую диафрагму-сепаратор 1, генерация газа происходит на внутренней поверхности каталитического слоя; контактирующая с каталитическими слоями биполярная металлическая пластина 3, как и в предыдущем случае, разделяет две соседние ячейки и, кроме того, обеспечивает сепарацию продуктов электролиза. В ячейках первого типа омические потери складываются из потерь в диафрагме и в объеме электролита, содержащем газовую фазу, в ячейках второго типа — из 6 — 1к 81 Аноднае зеоечзз жение, В 0,31 0,27 0,28 0,30 0,35 Тоя обмена, А ем-г Х! ., 505П вЂ” 50 1г, 75Ы1 — 25нц ..
75Ы1 — 25% .. Х!Т1,, 2,3 !О 2,0 !Π†' 2,4 !Π— з 4,6 1Π— з 2,8.10 — з 82 потерь в диафрагме н на контактном сопротивлении между электродами и биполярной пластиной. Ячейки первого типа более просты в изготовлении, однако при возрастании тока газосодержание и омическис потери в электролите возрастают довольно резко и для их уменьшения приходится применять циркуляцию электролита и повышать давление. В ячейках второго типа применяются специальные меры для уменьшения контактного сопротивления. Например, в электролизере типа ФВ-500 катализатор наносится на металлическую сетку, хорошо контактирующую с биполярной пластиной. В настоящее время применяются ячейки обоих типов. Электродные реакции в щелочном электролизере протекают следующим образом: на катоде а +Н,Π— Н,+ОН; на аноде ОН вЂ” О,+ — НО+е .
4 2 Как отмечено выше, при электролизе воды наиболее существенны поляризационные потери на электродах и омические потери в электролите. Снижение поляризации электродов достигается увеличением тока обмена электродных реакций, развитием удельной поверхности катализаторов и повышением эффективности ее использования. т о ов и соо Ток обмена реакций зависит от материала (каталитичности) элек. темпе ат .
Н р д в тветствии с законом Аррениуса увеличивается с р уры. аиболее активными катализатооами катодного процесса выделения водорода являются металлы %, Рб, Р1, хорошо адсорбинеплатин рующие водород. С точки зрения экономики целесообразно ~ п оные катализзторы. Как показали исследования никелевых каю ользовать годов, при температурах 298 †3 К знергия активации процесса выделения водорода прн 7= ! А см-т составляет около 4! кДж моль-' Йт, от 10-' о 2 !О-' А с -' прн увеличении температуры от 298 до 363 К ток обмен ок о мена возрастает до — см- !251, Среди других перспективных иеплатиновых катзлизаторов катодного процесса в литературе отмечаются мо.
либдат железа и молибдат кобальта. аз або Особое внимание исследователей в настоящее время об ращено на элект о р р гну катализаторов анодного процесса выделения ки л . Р с орода. яд !Ч!>1г Р!. Н р химической активности металлов для этого п о ес роцесса имеет вид есса в ) !.
Ниже приведены типичные характеристики ан ц ыделеиия кислорода на металлических катализат р одного про- Х! при ри электролизе водного раствора 30 ' КОЙ при 353 К, 1 к ализаторах на основе 2 1О-з А см-з (26) ° Катзлзззтер При потенциалах анодного выделения кислорода многие металлы ствуют в виде окислов. В связи с этим большое число исследовапосвящено определению кинетических параметров н механизма но" й реакции выделения кислорода на окнсиых катализаторах и раз- мет ом, хатке катализаторов оптимального состава.
Важным параметр ернзующим окнсный катализатор, является равновесный потенциал емы металл — окисел металла или низший окисел — высший окисел. а этот потенциал близок к потенциалу равновесного кислородного т ода или более отрицателен, анодный процесс выделения кислоропротекает активно. Например, поскольку потенциал р з — КВОз составляет 1,434 В, окисел никеля с добавками лития для ичения злектропроводности является хорошим анодным катализам. Потенциал смешанных окислов типа шпинелей СОг!Ч!О, близок 4 В, эти соединения злектропроводны без применения специальных вок, поэтому они весьма перспективны как катализаторы анодного есса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
