水电解制氢

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范文一:电解水制氢的原理

第二节  电解水制氢的原理

一、氢气的工业制法

在工业上通常采用如下几种方法制取氢气:一是将水蒸气通过灼热的焦炭(称为碳还原法),得到纯度为75%左右的氢气;二是将水蒸气通过灼热的铁,得到纯度在97%以下的氢气;三是由水煤气中提取氢气,得到的氢气纯度也较低;第四种方法就是电解水法,制得的氢气纯度可高达99%以上,这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠(钾)溶液时,阳极上放出氧气,阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时,也可得到氢气。

对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高,因此,都是采用电解水的方法制得。 二、电解水制氢原理

所谓电解就是借助直流电的作用,将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。d

1、电解水原理 e

在一些电解质水溶液中通入直流电时,分解出的物质与原来的电解质完全没有关系,被分解的是作为溶剂的水,原来的电解质仍然留r在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。

在电解水时,由于纯水的电离度很小,导电能力低,属于典型的弱电解质,所以需要加入前述电解质,以增加溶液的导电能力,使水e

t能够顺利地电解成为氢气和氧气。

氢氧化钾等电解质不会被电解,现以氢氧化钾为例说明:s

i(1)氢氧化钾是强电解质,溶于水后即发生如下电离过程:g

于是,水溶液中就产生了大量的K+和OH-。

e(2)金属离子在水溶液中的活泼性不同,可按活泼性大小顺序排列如下:R

K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au

在上面的排列中,前面的金属比后面的活泼。n(3)在金属活泼性顺序中,越活泼的金属越容易失去电子,否则反之。从电化学理论上看,容易得到电子的金属离子的电极电位高,U

而排在活泼性大小顺序前的金属离子,由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H+的电极电位

=-1.71V,而K+的电极电位

=-2.66V,所以,在水溶液中同时存在H+和K+时,H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气,而K+则仍将留在溶液中。

(4)水是一种弱电解质,难以电离。而当水中溶有KOH时,在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子,而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下,K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极,这时H+就会首先得到电子而成为氢气。

2、水的电解方程

在直流电作用于氢氧化钾水溶液时,在阴极和阳极上分别发生下列放电反应,见图8-3。

第二节  电解水制氢的原理

一、氢气的工业制法

在工业上通常采用如下几种方法制取氢气:一是将水蒸气通过灼热的焦炭(称为碳还原法),得到纯度为75%左右的氢气;二是将水蒸气通过灼热的铁,得到纯度在97%以下的氢气;三是由水煤气中提取氢气,得到的氢气纯度也较低;第四种方法就是电解水法,制得的氢气纯度可高达99%以上,这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠(钾)溶液时,阳极上放出氧气,阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时,也可得到氢气。

对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高,因此,都是采用电解水的方法制得。 二、电解水制氢原理

所谓电解就是借助直流电的作用,将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。d

1、电解水原理 e

在一些电解质水溶液中通入直流电时,分解出的物质与原来的电解质完全没有关系,被分解的是作为溶剂的水,原来的电解质仍然留r在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。

在电解水时,由于纯水的电离度很小,导电能力低,属于典型的弱电解质,所以需要加入前述电解质,以增加溶液的导电能力,使水e

t能够顺利地电解成为氢气和氧气。

氢氧化钾等电解质不会被电解,现以氢氧化钾为例说明:s

i(1)氢氧化钾是强电解质,溶于水后即发生如下电离过程:g

于是,水溶液中就产生了大量的K+和OH-。

e(2)金属离子在水溶液中的活泼性不同,可按活泼性大小顺序排列如下:R

K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au

在上面的排列中,前面的金属比后面的活泼。n(3)在金属活泼性顺序中,越活泼的金属越容易失去电子,否则反之。从电化学理论上看,容易得到电子的金属离子的电极电位高,U

而排在活泼性大小顺序前的金属离子,由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H+的电极电位

=-1.71V,而K+的电极电位

=-2.66V,所以,在水溶液中同时存在H+和K+时,H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气,而K+则仍将留在溶液中。

(4)水是一种弱电解质,难以电离。而当水中溶有KOH时,在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子,而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下,K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极,这时H+就会首先得到电子而成为氢气。

2、水的电解方程

在直流电作用于氢氧化钾水溶液时,在阴极和阳极上分别发生下列放电反应,见图8-3。

范文二:电解水制氢的原理

电解水制氢的原理

一、氢气的工业制法

在工业上通常采用如下几种方法制取氢气:一是将水蒸气通过灼热的焦炭(称为碳还原法),得到纯度为75%左右的氢气;二是将水蒸气通过灼热的铁,得到纯度在97%以下的氢气;三是由水煤气中提取氢气,得到的氢气纯度也较低;第四种方法就是电解水法,制得的氢气纯度可高达99%以上,这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠(钾)溶液时,阳极上放出氧气,阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时,也可得到氢气。

对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高,因此,都是采用电解水的方法制得。

二、电解水制氢原理

所谓电解就是借助直流电的作用,将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。

1、电解水原理

在一些电解质水溶液中通入直流电时,分解出的物质与原来的电解质完全没有关系,被分解的是作为溶剂的水,原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。

在电解水时,由于纯水的电离度很小,导电能力低,属于典型的弱电解质,所以需要加入前述电解质,以增加溶液的导电能力,使水能够顺利地电解成为氢气和氧气。

氢氧化钾等电解质不会被电解,现以氢氧化钾为例说明:

(1)氢氧化钾是强电解质,溶于水后即发生如下电离过程:

于是,水溶液中就产生了大量的K和OH。

(2)金属离子在水溶液中的活泼性不同,可按活泼性大小顺序排列如下: K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au 在上面的排列中,前面的金属比后面的活泼。

(3)在金属活泼性顺序中,越活泼的金属越容易失去电子,否则反之。从电化学理论上看,容易得到电子的金属离子的电极电位高,而排在活泼性大小顺序前+-

的金属离子,由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H的电极电位

=-1.71V,而K+的电极电位=-2.66V,所以,在水溶液中同时存在H+和K+时,+H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气,而K+则仍将留在溶液中。

(4)水是一种弱电解质,难以电离。而当水中溶有KOH时,在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子,而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下,K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极,这时H+就会首先得到电子而成为氢气。

2、水的电解方程

在直流电作用于氢氧化钾水溶液时,在阴极和阳极上分别发生下列放电反应,见图8-3。

图8-3 碱性水溶液的电解

(1)阴极反应。电解液中的H+(水电离后产生的)受阴极的吸引而移向阴极,接受电子而析出氢气,其放电反应为:

(2)阳极反应。电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极,最后放出电子而成为水和氧气,其放电反应为:

阴阳极合起来的总反应式为:

电解

所以,在以KOH为电解质的电解过程中,实际上是水被电解,产生氢气和氧气,而KOH只起运载电荷的作用。

三、电解电压

在电解水时,加在电解池上的直流电压必须大于水的理论分解电压,以便能克服电解池中的各种电阻电压降和电极极化电动势。电极极化电动势是阴极氢析出时的超电位与阳极氧极出时的超电位之和。因此,水电解电压U可表示为:

式中U0——水的理论分解电压,V;

I——电解电流,A;

R——电解池的总电阻,Ω;

——氢超电位,V; ——氧超电位,V。

从能量消耗的角度看,应该尽可能地降低电解电压。下面讨论影响电解电压的几个因素:

(1)水的理论分解电压UO。热力学的研究得出:原电池所做的最大电功等于反

应处由能变的减少,即:

式中

——标准状态下电池反应的吉布斯自由能变,J/mol;

n——反应中的电子转移数;

F——法拉第常数,96500C/mol;

E——标准状态下反应的标准电动势,V。

在生成水的化学反应中,自由能变为-474.4kJ/mol,即

2H2(g)+O2(g)=2H2O (1)

这是一个氧化还原反应,在两个电极上的半反应分别为:

O2+4H++4e=2H2O

2H2=4H++4e 0

电子转移数n=4,由=-NFE0得

-474.4×103=--4×96500E0

可见,在0.1MPa和25℃时,U0=1.23V;它是水电解时必须提供的最小电压,它

随温度的升高而降低,随压力的升高而增大,压力每升高10倍,电压约增大43mV.

(2)氢、氧超电位和。影响氢、氧超电位的因素很多。首先,电极材料和电极的表面状态对它的影响较大,如铁、镍的氢超电位就比铅、锌、汞等低,铁、镍的氧超电位也比铅低。与电解液接触面积越大或电极表面越粗糙,产生的氢、氧超电位就越小。其次,电解时的电流密度增大,超电位会随之增大,温度的上升也会引起超电位的增大。此外,超电位还与电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等因素有关,如在镍电极上,稀溶液的氧超电位大于浓溶液的氧超电位。 为了降低氢、氧超电位,可以采取一些方法。如提高工作温度及采用合适的电极材料等。此外,适当增大电极的实际表面积或使电极表面粗糙,都可在不同程度上降低电极电阻和超电位,从而达到降低工作电压的目的。

(3)电阻电压降。电解池中的总电阻包括电解液的电阻、隔膜电阻、电极电阻和接触电阻等,其中前两者为主要因素。隔膜电阻电压降取决于材料的厚度和性质。采用一般的石棉隔膜,电流密度为2400A/m2时,隔膜电阻上的电压降约为0.25~0.30V,当电流密度再增大时,该电压降还会增大到0.5V左右。电解液的导电率越高,电解液中的电压降就越小。对电解液来说,除要求其电阻值小以外,还要求它在电解电压下不分解;不因挥发而与氢、氧一并逸出;对电解池材料无腐蚀性;当溶液的pH值变化时,应具有一定的缓冲性能。

多数的电解质在电解时易分解,不宜在电解水时采用。硫酸在阳极生成过硫酸和臭氧,腐蚀性很强,不宜采用。而强碱能满足以上要求,所以工业上一般都以KOH或NaOH水溶液作为电解液。KOH的导电性能比NaOH好,但价格较贵,在较高温度时,对电解池的腐蚀作用亦较NaOH的强。过去我国常采用NaOH作电解质,但是,鉴于目前电解槽的材料已经能抗KOH的腐蚀,所以,为节约电能,已经普遍趋向采用KOH溶液作为电解液。

此外,在电解水的过程中,电解液中会含有连续析出的氢、氧气泡,使电解液的电阻增大。电解液中的马泡容积与包括气泡的电解液容积的百分比称作电解液的含气度。含气度与电解时的电流密度,电解液粘度、气泡大小、工作压力和电解池结构等因素有关。增加电解液的循环速度和工作压力都会减少含气度;增加电流密度或工作温度升高都会使含气度增加。在实际情况下,电解液中的气泡是不可避免的,所以电解液的电阻会比无气泡时大得多。当含气度达到35%时,电解液的电阻是无气泡时的2倍。

降低工作电压有利于减少电能消耗,为此应采取有效措施来降低氢、氧超电位和电阻电压降。一般情况下,在电流较小时,前者是主要因素;而在电流较大时,后者将成为主要因素。

电解槽在高工作压力下运行时,电解液含气度降低,从而使电解液电阻减小,为此已经研制出可在3MPa压力下工作的电解槽。但是工作压力也不宜过高,否则会增大氢气和氧气在电解液中的溶解度,使它们通过隔膜重新生成水,从而降低电流效率。提高工作温度同样可以使电解液电阻降低,但随之电解液对电解槽的腐蚀也会加剧。如温度大于90℃时,电解液就会对石棉隔膜造成严重损害,在石棉隔膜上形成可溶性硅酸盐。为此,已经研制出了多种抗高温腐蚀的隔膜材料,如镍的粉末冶金薄片和钛酸钾纤维与聚四氟乙烯粘结成的隔膜材料,它们可以在150℃的碱液中使用。为了降低电解液的电阻,还可以采取降低电解池的电流密度,加快电解液的循环速度,适当减小电极间距离等方法。

四、制氢设备的制氢量衡算和电能消耗

1、法拉第定律

电解水溶液制氢时,在物质量上严格遵守法拉第定律:各种不同的电解质溶液,每通过96485.309C的电量,在任一电极上发生得失1 mol电子的电极反应,同时与得失1 mol电子相对应的任一电极反应的物质量亦为1mol。

F=96485.309C/mol称为法拉第常数,它表示每摩尔电子的电量。在一般计算中,可以近似取F=96500C/mol。根据拉第定律,可以得到下式:

M=kIt=kQ

式中 k——表示1h内通过1A电流时析出的物质量,g/(A·h);

I——电流,A;

t——通电时间,h;

m——电极上析出的物质的质量,g;

Q——通过电解池的电荷量,A·h。

由于库仑单位很小,所以工业上常用的电荷量单位是安培·小时,它与法拉第常数F的关系是:

1F=96500/3600=26.8 A·h

2、制氢量衡算

从法拉第定律可知,26.8A·h电荷量能产生0.5mol的氢气,在标准状态下,0.5mol氢气占有的体积是11.2L,则1A·h电荷量在一个电解小室的产气量应为

(A·h) 应为:

如果考虑电流效率,那么每台电解槽每小时的实际产氢量

m3

式中 m——电解槽的电解小室数,m=

I——电流,A;

t——通电时间,h;

——电流效率,%。 同样地,可以计算出氧气的产气量

3、电能的消耗

电能消耗W与电压U和电荷量Q成正比,即

W=QU ,它正好是氢气产气量 的1/2。

根据法拉第定律,在标准状况下,每产生1m3的氢气的理论电荷量Q0为:

因此,理论电能消耗W0为:

式中:U0为水的理论分解电压,U0=1.23V。

在电解槽的实际运行中,其工作电压为理论分解电压的1.5~2倍,而且电流效率也达不到100%,所以造成的实际电能消耗要远大于理论值。目前通过电解水装置制得1m3氢气的实际电能消耗为4.5~5.5kW·h。

4、电解用水消耗

电解用水的理论用量可用水的电化学反应方程计算:

通电

2H2O

KOH

2×18g 2×22.4L

x 1000L

式中:x为标准状况下,生产1m3氢气时的理论耗水量,g;22.4L为1mol氢气在标准状况下的体积。

x/18=1000/22.4

x=804g

在实际工作过程中,由于氢气和氧气都要携带走一定的水分,所以实际耗水量稍高于理论耗水量。目前生产1m3氢气的实际耗水量约为845~880g。

2H2↑ + O2↑

范文三:水电解制氢工艺

工艺简述

水电解制氢设备工艺分,即氢气、氧气、电解液、原料纯水和冷却水等部分,设备上设有以下控制点,对各项工艺参数进行监控,现分述如下:

氢气系统

产品氢气由电解槽两端压板的氢气接口引出,与夹带的电解液一起进入氢分离器中进行分离,向上升起的氢气经氢气冷却器中,而电解液则滞留在氢分离器内。氢气冷却器为管壳式换热器,氢走管程,冷却水走壳程,在冷却器的氢出口处,配置有丝网捕集器,以便把氢气中的雾滴捕集下来,并返回到氢分离器中。氢出捕集器后进入到氢汽水分离器中,其冷凝液由排污阀排放。产品氢经气动薄膜调节阀输出。

本系统的检测点,

①氢槽温的检测:该检测点设在氢分离器出口管上,测得的信号送人到PLC后,在触摸屏上可显示出氢槽温。

②两分离器的液位差的检测:在氢、氧分离器的引讯口上各装有差压变送器,分别测定两个分离器的液位,两个差压变送器所测得的信号送人PLC后,经过运算,再输出相应的信号,由电气转化器转化成的气压信号,送到氢气动调节阀上,以调节该阀的阀位。以使两分离器的液位维持在设定的范围内。

③氢气温度的检测:装有双金属温度计,现场显示氢气的温度。

④氢气纯度的检测:经过干燥后的氧气经氢纯度分析仪的仪表.把测得的信号送人到PLC中,在触摸屏上可显示出氢气纯度及报警信号等。

⑤氢背压的检测:在氢薄膜调节阀的阀后管线上,装有电接点压力表,现场指示氢背压,并输出电信号至PLC中,当压力超过设定值时,便发出报警信号。

氧气系统

该系统与氢子系统的流程完全相同,检测点也是五个,功能略有不同。

①槽温的检测:显示,报警等功能。

②系统压力的检测:在氧分离器的气相引讯口上,装有压力变送器.所测信号转化为气动信号,再送到氧气动调节阀,以给出一个合适的阀位。

⑧氧温的检测:装有双金属温度计,现场显示氧气温度。

④氧气纯度的检测:经过干燥后的氧气经氧纯度分析仪一次仪表,把测得的信号送人到PLC中,在触摸屏上显示氧气纯度及报警信号等。

⑤系统压力的检测:在氧薄膜调节阀阀前的管线上,装有一个防爆电接点压力表,除现场显示压力外,还输出电信号至PLC,在压力超标时,输出的联锁信号可使系统停下来。 电解液系统

在水电解制氢过程中,电解液随着产品气被夹带到到氢、氧分离器中,通过碱液泵的强制循环,再返回到电解槽内。碱液泵的进口与氢、氧分离器的连通管相连,泵启动后,分离器中的电解液流经碱液冷却器,碱液经过滤器后,最终回到电解槽中。

电解反应的生成热是通过碱液循环的方法在碱液冷却器中被带走的。原料水的补充也是随电解液的循环而进到电解槽内的。

在本系统上,设置有两个检测点:

①碱温的检测:在碱液过滤器的出管线上,装有铂电阻,用以检测进入电解槽的碱液温度。测得的信号转化为气动信号送入到冷却水气动阀上,以调节此阀的阀位开度,控制冷却水的流量,保持碱液的温度。

②碱液循环量的检测:在碱液管线上,有流量计,该流量计现场指示碱液循环量,并输出测得的信号,如循环量低于某设定值,PLC就会输出报警及联锁信号,最终使系统自动停

原料水系统

在水电解过程中,原料水因分解成氢和氧而不断地消耗掉,为了持续生产,必须向系统内补充原料水。

原料水的补充是由补水泵来完成的,用柱塞泵补水,泵的启停是由两差压变送器测得的信号控制,当低于设定值时,PLC就输出启动泵,反之则停泵。

补水泵的人口管与水箱和碱箱的出口管线相连,通过启动补水泵.补到水电解制氢系统中,经止回阀进入到分离器的碱液中。

冷却水系统

冷却水从外管引入,水压应在0.2MPa以上,冷却水进入系统后,一路进人碱冷却器,再一路经冷却水气动调节阀后进入碱液冷却器中,该调节阀的阀位由铂电阻测得的碱温来控制,冷却水与碱液间逆向流动,冷却水出碱液冷却器后,进入回水总管中。此管直与外界的冷却水循环装置相连。

①冷却水水压的检测:在冷却水的入口管上,装有弹簧压力表,以检测冷却水的人口压力。

范文四:电解水制氢的原理

电解水制氢的原理

电解水制氢的原理一、氢气的工业制法

在工业上通常采用如下几种方法制取氢气:一是将水蒸气通过灼热的焦炭(称为碳还原法),得到纯度为75%左右的氢气;二是将水蒸气通过灼热的铁,得到纯度在97%以下的氢气;三是由水煤气中提取氢气,得到的氢气纯度也较低;第四种方法就是电解水法,制得的氢气纯度可高达99%以上,这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠(钾)溶液时,阳极上放出氧气,阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时,也可得到氢气。

对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高,因此,都是采用电解水的方法制得。

二、电解水制氢原理

所谓电解就是借助直流电的作用,将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。

1、电解水原理

在一些电解质水溶液中通入直流电时,分解出的物质与原来的电解质完全没有关系,被分解的是作为溶剂的水,原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。

在电解水时,由于纯水的电离度很小,导电能力低,属于典型的弱电解质,所以需要加入前述电解质,以增加溶液的导电能力,使水能够顺利地电解成为氢气和氧气。

氢氧化钾等电解质不会被电解,现以氢氧化钾为例说明:

(1) 氢氧化钾是强电解质,溶于水后即发生如下电离过程:

于是,水溶液中就产生了大量的K+和OH-。

(2) 金属离子在水溶液中的活泼性不同,可按活泼性大小顺序排列如下:

K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au

在上面的排列中,前面的金属比后面的活泼。

(3)在金属活泼性顺序中,越活泼的金属越容易失去电子,否则反之。从电化学理论上看,容易得到电子的金属离子的电极电位高,而排在活泼性大小顺序前的金属离子,由于其电极电位低而难以得到电子变成

原子。H+的电极电位=-1.71V,而K+的电极电位=-2.66V,所以,在水溶液中同时存在H+和K+时,H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气,而K+则仍将留在溶液中。

(4)水是一种弱电解质,难以电离。而当水中溶有KOH时,在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子,而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下,K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极,这时H+就会首先得到电子而成为氢气。

2、水的电解方程

在直流电作用于氢氧化钾水溶液时,在阴极和阳极上分别发生下列放电反应,见图8-3。

图8-3 碱性水溶液的电解

(1) 阴极反应。电解液中的H+(水电离后产生的)受阴极的吸引而移向阴极,接受电子而析出氢气,

其放电反应为:

(2)阳极反应。电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极,最后放出电子而成为水和氧气,其放电反应为:

阴阳极合起来的总反应式为:

电解

所以,在以KOH为电解质的电解过程中,实际上是水被电解,产生氢气和氧气,而KOH只起运载电荷的作用。

三、电解电压

在电解水时,加在电解池上的直流电压必须大于水的理论分解电压,以便能克服电解池中的各种电阻电压降和电极极化电动势。电极极化电动势是阴极氢析出时的超电位与阳极氧极出时的超电位之和。因此,水电解电压U可表示为:

式中U0——水的理论分解电压,V;

I——电解电流,A;

R——电解池的总电阻,Ω;

——氢超电位,V;

——氧超电位,V。

从能量消耗的角度看,应该尽可能地降低电解电压。下面讨论影响电解电压的几个因素:

(1)水的理论分解电压UO。热力学的研究得出:原电池所做的最大电功等于反应处由能变的减少,即:

式中

——标准状态下电池反应的吉布斯自由能变,J/mol;

n——反应中的电子转移数;

F——法拉第常数,96500C/mol;

E0——标准状态下反应的标准电动势,V。

在生成水的化学反应中,自由能变为-474.4kJ/mol,即

2H2(g)+O2(g)

=2H2O (1)

这是一个氧化还原反应,在两个电极上的半反应分别为:

O2+4H++4e=2H2O

2H2=4H++4e

电子转移数n=4,由=-NFE0得

-474.4×103=--4×96500E0

可见,在0.1MPa和25℃时,U0=1.23V;它是水电解时必须提供的最小电压,它随温度的升高而降低,随压力的升高而增大,压力每升高10倍,电压约增大43mV.

(2) 氢、氧超电位

和。影响氢、氧超电位的因素很多。首先,电极材料和电极的表面状态对

它的影响较大,如铁、镍的氢超电位就比铅、锌、汞等低,铁、镍的氧超电位也比铅低。与电解液接触面积越大或电极表面越粗糙,产生的氢、氧超电位就越小。其次,电解时的电流密度增大,超电位会随之增大,温度的上升也会引起超电位的增大。此外,超电位还与电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等因素有关,如在镍电极上,稀溶液的氧超电位大于浓溶液的氧超电位。

为了降低氢、氧超电位,可以采取一些方法。如提高工作温度及采用合适的电极材料等。此外,适当增大电极的实际表面积或使电极表面粗糙,都可在不同程度上降低电极电阻和超电位,从而达到降低工作电压的目的。

(3)电阻电压降。电解池中的总电阻包括电解液的电阻、隔膜电阻、电极电阻和接触电阻等,其中前两者为主要因素。隔膜电阻电压降取决于材料的厚度和性质。采用一般的石棉隔膜,电流密度为2400A/m2时,隔膜电阻上的电压降约为0.25~0.30V,当电流密度再增大时,该电压降还会增大到0.5V左右。电解液的导电率越高,电解液中的电压降就越小。对电解液来说,除要求其电阻值小以外,还要求它在电解电压下不分解;不因挥发而与氢、氧一并逸出;对电解池材料无腐蚀性;当溶液的pH值变化时,应具有一定的缓冲性能。

多数的电解质在电解时易分解,不宜在电解水时采用。硫酸在阳极生成过硫酸和臭氧,腐蚀性很强,不宜采用。而强碱能满足以上要求,所以工业上一般都以KOH或NaOH水溶液作为电解液。KOH的导电性能比NaOH好,但价格较贵,在较高温度时,对电解池的腐蚀作用亦较NaOH的强。过去我国常采用NaOH作电解质,但是,鉴于目前电解槽的材料已经能抗KOH的腐蚀,所以,为节约电能,已经普遍趋向采用KOH溶液作为电解液。

此外,在电解水的过程中,电解液中会含有连续析出的氢、氧气泡,使电解液的电阻增大。电解液中的气泡容积与包括气泡的电解液容积的百分比称作电解液的含气度。含气度与电解时的电流密度,

电解液粘度、气泡大小、工作压力和电解池结构等因素有关。增加电解液的循环速度和工作压力都会减少含气度;增加电流密度或工作温度升高都会使含气度增加。在实际情况下,电解液中的气泡是不可避免的,所以电解液的电阻会比无气泡时大得多。当含气度达到35%时,电解液的电阻是无气泡时的2倍。

降低工作电压有利于减少电能消耗,为此应采取有效措施来降低氢、氧超电位和电阻电压降。一般情况下,在电流较小时,前者是主要因素;而在电流较大时,后者将成为主要因素。

电解槽在高工作压力下运行时,电解液含气度降低,从而使电解液电阻减小,为此已经研制出可在3MPa压力下工作的电解槽。但是工作压力也不宜过高,否则会增大氢气和氧气在电解液中的溶解度,使它们通过隔膜重新生成水,从而降低电流效率。提高工作温度同样可以使电解液电阻降低,但随之电解液对电解槽的腐蚀也会加剧。如温度大于90℃时,电解液就会对石棉隔膜造成严重损害,在石棉隔膜上形成可溶性硅酸盐。为此,已经研制出了多种抗高温腐蚀的隔膜材料,如镍的粉末冶金薄片和钛酸钾纤维与聚四氟乙烯粘结成的隔膜材料,它们可以在150℃的碱液中使用。为了降低电解液的电阻,还可以采取降低电解池的电流密度,加快电解液的循环速度,适当减小电极间距离等方法。

四、制氢设备的制氢量衡算和电能消耗

1、法拉第定律

电解水溶液制氢时,在物质量上严格遵守法拉第定律:各种不同的电解质溶液,每通过96485.309C的电量,在任一电极上发生得失1 mol电子的电极反应,同时与得失1 mol电子相对应的任一电极反应的物质量亦为1mol。

F=96485.309C/mol称为法拉第常数,它表示每摩尔电子的电量。在一般计算中,可以近似取F=96500C/mol。根据拉第定律,可以得到下式:

M=kIt=kQ

式中 k——表示1h内通过1A电流时析出的物质量,g/(A·h);

I——电流,A;

t——通电时间,h;

m——电极上析出的物质的质量,g;

Q——通过电解池的电荷量,A·h。

由于库仑单位很小,所以工业上常用的电荷量单位是安培·小时,它与法拉第常数F的关系是: 1F=96500/3600=26.8 A·h

2、制氢量衡算

从法拉第定律可知,26.8A·h电荷量能产生0.5mol的氢气,在标准状态下,0.5mol氢气占有的体积是11.2L,则1A·h电荷量在一个电解小室的产气量应为

(A·h) 如果考虑电流效率,那么每台电解槽每小时的实际产氢量应为:

m3

式中 m——电解槽的电解小室数,

m=

I——电流,A;

t——通电时间,h;

——电流效率,%。

同样地,可以计算出氧气的产气量,它正好是氢气产气量的1/2。

3、电能的消耗

电能消耗W与电压U和电荷量Q成正比,即

W=QU

根据法拉第定律,在标准状况下,每产生1m3的氢气的理论电荷量Q0为:

因此,理论电能消耗W0为:

式中:U0为水的理论分解电压,U0=1.23V。

在电解槽的实际运行中,其工作电压为理论分解电压的1.5~2倍,而且电流效率也达不到100%,所以造成的实际电能消耗要远大于理论值。目前通过电解水装置制得1m3氢气的实际电能消耗为

4.5~5.5kW·h。

4、电解用水消耗

电解用水的理论用量可用水的电化学反应方程计算:

2×18g 2×22.4L

X g 1000L

式中:x为标准状况下,生产1m氢气时的理论耗水量,g;22.4L为1mol氢气在标准状况下的体积。

x/18=1000/22.4 x=804g

在实际工作过程中,由于氢气和氧气都要携带走一定的水分,所以实际耗水量稍高于理论耗水量。目前生产1m氢气的实际耗水量约为845~880g。

本文摘自《电解水制氢的原理》博文资讯 浙江省玉环县爱力铸造设备有限公司 企业博客,对作者之渊博学识致谢。 33

范文五:光解水制氢系统和电解水制氢系统的区别

光解水制氢系统和电解水制氢系统的区别 首先归类一下有多少种方法可以利用水进行制氢。

01、电解水制氢

02、碱性电解制氢

03、聚合电解质薄膜电解制氢

04、高温电解制氢

05、光解水制氢

06、生物光解制氢

07、热化学水解制氢

总共7种制氢的方法,其中,电解水制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一,电解水是利用电能将水分解为氢气和氧气。电解水所需的总能量随着温度的升高会有所增加,同时需要的电能减少。因此,高温电解过程在高温供热时可能更好,例如利用其他过程中产生的废热。

H2O + 电 → H2 + 1/2O2

以水为原料制氢过程是氢气与氧气反应生成水的逆过程,因此只要提供一定形式的能量,则可使水分解,而且所得氢气纯度非常高。提供电能使水分解制得氢气的效率一般可达到75%-85%,其工艺过程简单、无污染,但消耗电量大,因此其应用受到一定的限制。不过随着核能和太阳能利用技术的不断提高,在未来的氢经济社会中,电解水制氢将成为主流。

光解水制氢系统结合电解可以开展商业化利用。这类系统很灵活,可通过光电池产生电力或通过电解池产生氢。水光解的过程就是利用光直接将水分解为氢气和氧气。和传统的技术方法相比,这类系统有很大的潜力可以减少电解氢成本。目前全球正在开展光电化学池材料科学和系统工程的基础和应用研发计划。迄今示范型太阳能-氢气转换效率可达16%。

范文六:芯片厂水电解制氢

水电解制氢情况汇报

目前三号厂氢气用量180瓶/月,6寸线预计用量160瓶/月,每个钢瓶储气

5.3立方,平均每天氢气用量60立方。制氢电解槽可以选用5立方/小时的设备规格。

一. 硬件设施需求:

1. 40平方米独立厂房,与周围建筑距离15米以上。

2. 50kw电容量

3. 7吨/小时、5℃温差的冷却水

4.设施需要通少量压缩空气驱动,少量氮气吹扫。

硬件投入概算:

注:以上不含在安监局消防备案费用

二.运行成本分析:

1. 电解槽耗电量约 5kw.h/立方

2. 冷却水冷量耗能 8.19kw.h/立方÷3(能效比)=2.73kw.h/立方 水的比热是4.2×10^3焦/(千克× ℃),表示质量是1千克的水,温度升高(或降低)1℃,吸收(或放出)的热量是4.2×10^3焦.则:1000×4.2×10^3×1=4,200,000焦=4200千焦.一千瓦时=3600千焦 ;4200/3600=1.17KW*h

所以 1立方水下降一摄氏度需要1.17KW*h 制冷量 3. 冷却水扬程耗能 0.6kw.h/立方

一吨水抽一米高大约耗0.003度电,0.5MPa约扬程50米。计算软件选泵为1.8kw。

4.纯水成本忽略

5.设备维护保养 约每年1万

(1)定时巡检,观察有无异常。

(2)定期检测

电解液KOH碱液浓度,25~30% 3个月

纯水的电导率

(3)定期检查、校准:

容器、压力表、安全阀 1年/次

循环泵、加水泵 寿命5年

阀门 1年/次

分析仪表 半年/次

控制仪表 1年/次

(4) 定期更换:

分析仪表的硅胶和硼酸片 变色

干燥剂--分子筛 3年

(5)定期大修 5年以上

综上,水解制氢直接成本(仅计算理论能耗)为7.5元/立方,电价0.9元/kw.h。实际成本在18.5元以上。

钢瓶气每瓶单价(5.3立方气体)小于50元。

三. 其他厂家使用情况

因自己制氢的厂家很少,只了解了两家的使用情况

1. 厦门某半导体厂

2013年购入25立方/小时的水电解氢气装置,设备成本190万。工厂实际氢气使用量10立方/小时。电解槽实际使用时间不到一年,因成本与可靠性原因废弃,改用钢瓶氢气。

2. 杭州某半导体厂

2002年使用160/小时立方电解槽两台,后为增加可靠性又增加180/小时立方电解槽一台。因用气量大钢瓶供应不及采用电解槽方式供应,实际核算氢气成本为43元/立方。

今年已在改用鱼雷车供应氢气,废弃两台电解槽,只留一台备机应急。

氢气制造最经济的方法是天然气水蒸气重整、合成氨分解制氢。水电解制氢情况汇报

目前三号厂氢气用量180瓶/月,6寸线预计用量160瓶/月,每个钢瓶储气

5.3立方,平均每天氢气用量60立方。制氢电解槽可以选用5立方/小时的设备规格。

一. 硬件设施需求:

1. 40平方米独立厂房,与周围建筑距离15米以上。

2. 50kw电容量

3. 7吨/小时、5℃温差的冷却水

4.设施需要通少量压缩空气驱动,少量氮气吹扫。

硬件投入概算:

注:以上不含在安监局消防备案费用

二.运行成本分析:

1. 电解槽耗电量约 5kw.h/立方

2. 冷却水冷量耗能 8.19kw.h/立方÷3(能效比)=2.73kw.h/立方 水的比热是4.2×10^3焦/(千克× ℃),表示质量是1千克的水,温度升高(或降低)1℃,吸收(或放出)的热量是4.2×10^3焦.则:1000×4.2×10^3×1=4,200,000焦=4200千焦.一千瓦时=3600千焦 ;4200/3600=1.17KW*h

所以 1立方水下降一摄氏度需要1.17KW*h 制冷量 3. 冷却水扬程耗能 0.6kw.h/立方

一吨水抽一米高大约耗0.003度电,0.5MPa约扬程50米。计算软件选泵为1.8kw。

4.纯水成本忽略

5.设备维护保养 约每年1万

(1)定时巡检,观察有无异常。

(2)定期检测

电解液KOH碱液浓度,25~30% 3个月

纯水的电导率

(3)定期检查、校准:

容器、压力表、安全阀 1年/次

循环泵、加水泵 寿命5年

阀门 1年/次

分析仪表 半年/次

控制仪表 1年/次

(4) 定期更换:

分析仪表的硅胶和硼酸片 变色

干燥剂--分子筛 3年

(5)定期大修 5年以上

综上,水解制氢直接成本(仅计算理论能耗)为7.5元/立方,电价0.9元/kw.h。实际成本在18.5元以上。

钢瓶气每瓶单价(5.3立方气体)小于50元。

三. 其他厂家使用情况

因自己制氢的厂家很少,只了解了两家的使用情况

1. 厦门某半导体厂

2013年购入25立方/小时的水电解氢气装置,设备成本190万。工厂实际氢气使用量10立方/小时。电解槽实际使用时间不到一年,因成本与可靠性原因废弃,改用钢瓶氢气。

2. 杭州某半导体厂

2002年使用160/小时立方电解槽两台,后为增加可靠性又增加180/小时立方电解槽一台。因用气量大钢瓶供应不及采用电解槽方式供应,实际核算氢气成本为43元/立方。

今年已在改用鱼雷车供应氢气,废弃两台电解槽,只留一台备机应急。

氢气制造最经济的方法是天然气水蒸气重整、合成氨分解制氢。

范文七:SPE水电解制氢技术的发展

舰 船 防 化

2009年第2期,43~47 CHEMICAL DEFENCE ON SHIPS No.2, 43~47

SPE水电解制氢技术的发展

郭淑萍,白松

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北 邯郸,056027)

摘 要:简要介绍了SPE制氢的基本原理、结构和近几年的发展。通过试验阐述SPE水电解装置的主要技术性能,同时论述与其他现场制氢设备相比该技术的优缺点,指出SPE制氢是最有发展潜力的制氢技术,是未来水电解制氢研制和发展的主要方向。 关键词:SPE;质子交换膜;电极;氢气

中图分类号:TQ116 文献标识码:A

Development of Hydrogen Generation Technology by SPE

Guo Shu-ping, Bai Song

(The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)

Abstract: The basic principle of hydrogen generation technology by SPE including its structure and development trend in recent years are introduced in this article. The main technical specification and performance are also described for the hydrogen generator by SPE after test. Meanwhile, the technical features are given via the comparison to the other method of hydrogen generation technology. It points out that, the hydrogen generation technology by SPE is one of the most potential one for hydrogen generation and will be the major direction of research and development for hydrogen generation. Keywords: SPE, Ion-exchange membrane, Electrode, Hydrogen gas

SPE电解槽是由若干个电解小室以双极压滤型式串联组成的。电解小室又由电极、喷涂铂族金属催化剂的质子交换膜、密封垫等组成。质子交换膜主要是由全氟磺酸质子交换膜构成。各小室由端板和拉紧螺杆压紧。电解槽设有O2/H2O出口、氮气吹扫口、H2/H2O出口和去离子水进口。电解槽是制氢系统的核心部件,辅助设备还包括氢和氧分离器、循环泵、给水和去离子水设备、热交换器和电源以及控制面板等。

当向电解槽质子交换膜的阳极供给去离子水并通以直流电时,水就被电解,在阳极上产生氧气,阳

0 引 言

目前,掌握固体聚合物电解质(SPE)水电解制氢技术的只有少数几个国家,如美国、英国和日本。SPE制氢技术已从军用走向工业化道路,一些国家正在利用SPE技术研制工业用的水电解制氢设备。SPE制氢技术具有其他现场制氢技术所不具备的优点,它除产品气体纯度高外,还有维护量少,制氢成本低,没有腐蚀性液体,对环境没有任何污染等优点。随着燃料电池汽车和空间技术的高速发展,SPE技术也必将得到快速发展。

1 SPE制氢装置的工作原理和基本组成

· 44 · 舰 船 防 化 2009年第2期 极上产生的质子通过质子交换膜传导并与阴极上产生的电子结合形成氢气。

阳极:2H2O = 4H+ + O2 = 4e- (1) 阴极:4H+ + 4e- = 2H2 (2) 在阳极上析出的氧气夹带着水离开阳极进入氧分离器,在分离器中靠着重力与水分离,分离出的氧气储存待用或者是放空。阴极上析出的氢气和水的混合流同样进入氢分离器/冷却器,氢气靠重力与水分离,分离后的氢气仍夹带着少量的水份,需进入干燥器(如需要的话)进一步吸附氢气中的水份,直到达到所要求的露点。分离后的水在控制状态下返回循环泵的吸入侧。由于电解产生的热量使去离子水的温度有所上升,通过热交换器除去所产生的热量,确保去离子水适合电解用水的温度,再通过循环泵进行循环,使冷却系统的温度不能超过设定值。电解所消耗的水要及时补充,利用给水泵把水从储存容器抽出,在水进入电解槽前,要经过过滤器过滤除掉杂质,保证电解用水的水质要求。系统在运行期间,各运行参数均处在受控状态,一旦超过设定值,将发出声光报警,系统将自动停机。

为了确保设备安全可靠地运行,在制氢系统启动前,要进行一系列的常规检查,只有确定各个系统均处于良好状态,系统才能通电启动。

图1 HOGEN系列流程图

Fig.1 Process flows for H2 generator HOGEN series

H

了发展计划,即按比例放大,利用SPE技术,研制先进的水电解制氢设备。美国的Proton能源系统股份有限公司研制了HOGEN100-1000系列的SPE水电解制氢设备。设备的产氢量为2.8 m3/h~28m3/h(100标,氢气纯度准英尺3/小时~1000标准英尺3/小时)

99.999%,输送压力7.03 kg/cm2~28.12kg/cm2(100,加压缩机可达175.78 kg/cm2磅/吋2~400磅/吋2)

(2500磅/吋2),给水2.27 kg/h~21.79kg/h(5磅/时~48磅/时),水质1MΩ~ cm,电源为12kVA~115kVA、460V、3Φ、50Hz~60Hz,冷却方式:空冷(亦可选择液冷)。

气水分离器

气水分离器

O2

约翰布朗造船有限公司是约翰布朗集团的一名成员,生产传统技术的水电解槽已有数十年。然而,该公司按照国防部的发展计划,利用SPE技术对现行设备进行改进,研制工业用的SPE水电解制氢设备。首台设备是由34个小室组成的,产氢量约14m3/h,由一台显示控制柜控制,其工作原理见图2,主要技术参数见表1。

1994年以来,日本在WE-NET(Wokld Energy Network)计划中,利用SPE技术研制大型的和高性能水电解制氢设备。要求电流密度至少1A/cm2~3A/cm2,能效率至少要达到90%。按照技术要求,研制了一台实验性制氢设备,其电解槽为双极压滤型的,由10个电解小室组成;其电极宽250mm,长1000mm,面积2500cm2,实验设备由给水泵、水加

2 SPE制氢技术的研制与发展

20世纪60年代,SPE电解槽采用全氟碳阳离子交换膜后,才得到了快速发展。而由这种离子交换膜制成的电解槽其有效的使用寿命仅有几百小时,限制了电解槽的发展。采用全氟离子交换膜后,电解槽的使用寿命超过了14年,设计使用寿命超过30年。

首台SPE电解槽是由美国通用电气公司研制成功的,用于美国宇航局宇航计划中的燃料电池上。在20世纪70年代,SPE制氢技术被用于水电解,早期只研究小型设备,只限于宇航和军事上的应用。然而工业上的应用则要求大型的制氢设备。于是在1975年,由美国政府、电力事业和通用电气公司发起制定

2009年第2期 SPE水电解制氢技术的发展 · 45 ·

见图3。

图2 制氢设备的工作原理

Fig.2 Process flows of hydrogen generator by SPE

图3 试验设备的结构

Fig. 3 Structure of tested hydrogen generator by SPE

表1 SPE水电解装置的技术性能 Table 1 Technical specifications for hydrogen

generator by SPE water electrolysis

技 术 参 数 小室活化面积

小室数

电解槽

数 值 0.093m27~51

为了完成试验设备,研制和设计了薄膜电极组件、电流集流器和分离器。阴极和阳极催化层是由粉沫催化剂制成,催化剂置于电解质薄膜的两侧,热压并粘结在平的热压设备上。阳极和阴极电流集流器分别采用钛纤维烧结板和不锈钢纤维板制造,并在这些失。为了解决电压损失的问题,除去了高电阻氧化膜,而利用镀铂的钛纤维烧结板和镀金的不锈钢纤维板制造阳极和阴极电流集流器,基本解决了电压损失问题。分离器(端板、双极板)必须具有均匀厚度的光滑表面,采用钛板,经机加工制成了分离器。电解槽元件和薄膜电极组件的制造技术要求见表2和表3。

试验设备是在常压下和温度80℃时进行了连续试验。当电流密度为1A/cm2时,槽电压达15.56V,电流效率100%,能效率95.1%,10个小室的平均电压为1.556V,氢气中的氧含量约为70ppm,试验设备已达到了设计值。

电流密度m2材料上涂上高电阻氧化膜,这种氧化膜增加了电压损最大电流初始小室电压

2.0V(每个小室)

氢气产量3/h(每个小室)氧气产量Nm3/h(每个小室)

H>99.995%(体积比)

氢气纯度

O

卤化物99%(体积比)

氧气纯度

H2

去离子水

传导率μs/cm进口温度℃ 出口温度℃

气体产量

气体纯度

工艺水

3 SPE水电解制氢技术的优缺点

SPE制氢设备具有其它现场制氢设备如普通的碱性水电解制氢装置、甲醇重整和氨分解制氢装置所 不具有的优点,见表4。它的体积小、重量轻,不像

*--百万分体积数。

热器、循环泵、直流电源、气体流量计、氧显微光密度计、冷却水循环系统、夹紧装置和仪表面板组成,

· 46 · 舰 船 防 化 2009年第2期

表2 电解元件的技术条件

Table 2 Technical specifications on the electrolytic components

序号

名称

材料

尺寸

全氟化碳磺酸薄膜(长)×300mm(宽)×52μm(厚)

1 2 3 4 5 6

薄膜电极组件

端板 双极板 阳极辅助集流器 阴极辅助集流器

包装板

粉状二氧化铱阳极×250mm 粉状铂黑阴极

钛板mm×340 mm×40 mm 钛板mm×340 mm×16 mm 镀铂钛纤维烧结板mm×270 mm×1 mm 镀金的不锈钢纤维板mm×270 mm×1 mm

氟橡胶(宽)×4mm(厚)

电极尺寸 阳极 阴极

表3 薄膜电极组件的技术条件

种类

B2

材 料 技术条件 of electrodes 全氟化碳磺酸膜

厚度μm

尺寸mm×300 mm 催化剂种类催化剂种类面积

IrO2Pt黑2500 cm2

加量mg/cm2 加量mg/cm2

长×宽mm×250 mm

表4 各种现场制氢设备的比较

Table 4 Comparison on the different kind of hydrogen

碱性电解槽 原材料 废物 杂质 启动 维护

去离子水

无 O2、N2 除盐装置

去离子水和碱

99.9%

甲醇重整制氢 甲醇和去离子水

天然气重整 天然气和蒸汽 99.99%

氨分解 氨 N2

N2 催化剂

碱水、CO2、CO2、碳氢化合物 O2、碱雾、CO2、N2、CO2、碳氢化合物 除盐、浸蚀、腐蚀

除盐装置

催化剂

纯度快

普通水电解制氢设备那样要求碱箱和储罐,也不像甲醇重整制氢装置那样要求甲醇/水燃料的储存容器,它的重量仅是相同产量的普通电解槽的1/3。SPE制氢设备的产品气纯度高,没有腐蚀性液体,系统中不存在污染氢气流的痕量化学物质,只有要求高纯氢时

才采用纯化设备,对环境没有任何污染。SPE制氢系 统不需要那么多的辅助设备,所以安装简单,维护少。除特殊情况外,通常不需要氢压机。

SPE制氢设备的薄膜-电极组件和电流集流器需采用贵重金属制造,增加制造成本,有待于研究新型

2009年第2期 SPE水电解制氢技术的发展 · 47 ·

范文八:水电解制氢操作要点

水电解制氢操作要点

1、水电解槽工作温度。通过氧侧温度变送器把温度信号传送给PLC系统,数据经处理后,控制气动薄膜调节阀来监控碱液温度而实现工作温度保持在80~90℃。工作温度过高会加速水电解槽内腐蚀,缩短石棉橡胶垫的使用寿命,影响运行周期;温度过低会使电解液电阻增加,极间电压升高,能耗增大。

2、水电解槽工作压力。通过压力变送器把压力信号传递给PLC系统,数据经处理后,控制氧侧气动薄膜调节阀来控制槽体压力。根据设备需求设定工作压力大小。

3、水电解槽氢氧液位差。由差压变送器把液位差信号传递给PLC系统,经数据处理后,控制氢侧气动薄膜调节阀来控制液位差小于1000Pa。若液位大于1000Pa则一侧压力高、液位低,水电解槽碱液

循环回路中断,槽体发生喷碱现象,甚至石棉隔膜布露出液面,造成氢氧气混合的危险。

4、水电解槽分离器液位。水电解过程中不断地消耗纯水,因而要及时补给。一般控制分离器液位在1/3~2/3,由补水泵自动启闭控制。

5、除氧器温度。除去水电解制氢中的微量氧气,常温控制。一般情况下除氧器实际温度显示为产品氢气与微量氧气反应生成水放出热量的温度。若含氧量超标,可将除氧器中的催化剂进行活化再生后继续投入使用。

6、当出现下列情况之一时,应停机检查: 氢气或氧气的纯度下降至允许值下限时; 当回收利用氧气时,氧气中氢浓度超过规定值时; 水电解槽的电解小室电压,经多次测定均不正常时;

水电解槽出口氢侧/氧侧气体压力不平衡,其压力差超过允许值时;

氢气压缩机进气侧的氢气压力低于允许值时; 电力供应故障;

监测的空气中氢浓度超过1.0%时。

7、气密性试验,对压力型水电解制氢系统以洁净空气或氮气进行气密性试验。气密性试验压力为设计压力,试验开始后逐渐升压,达到规定压力后,保持30min,检查所有连接处,焊缝、法兰、垫片等处,以无漏气为合格。

对常压型水电解制氢系统的气密性试验压力为0.05MPa或注满水静置试验。

8、水电解槽的总直流电流(电压)用直流电压表检测。电流(电压)表的精度等级不低于0.5级。

9、产品进出厂时,应进行充氮保护,充氮压力≥0.05MPa。此类设备的开口处应进行封堵。

10、制氢设备性能试验应在设备连续稳定运行4h后进行,测试气体产量、纯度和单位制氢直流电耗须同步进行,每30min测试一次,连续测4次,取其平均值。

试验用仪器、仪表精度应不低于下表规定。

氢、氧气体纯度测试的取样部位应在制氢设备的氢、氧气体取样口。用电流表测试流过电解槽总直流工作电流,测试部位在电解槽两

端或直流变换器的直流接线点。电解槽的直流工作电压的测试部位在电解槽正负极接点。

11、制氢设备应存放在通风、干燥的库房内或有遮盖的场所,离地至少100mm;存放期超过规定时间,按产品说明书的有关规定进行检查、维护。

范文九:水电解制氢技术进展

开发展望

TECHNOLOGYANDMARKET

费用和能量消耗,进行工业化生产试点后再推广应用,同时随着增殖反应堆出现的核能,将会使水电解制氢有可能成为制氢领域中最有力的竞争者之一。

氢气是工业气体中的一个重要品种,在化工、化肥、石化、能源、电子、冶金、食品、机械、航空航天、核工业等诸多领域中都有广泛的应用。利用水电解制取氢气除可作为新世纪的一种清洁能源被开发利用外,在合成氨、甲醇等化工行业,水电解制氢可以作为一个先进适用的单元技术而优化组合到工艺流程中,电解水产生的氧气还可以用于粉煤气化、硝酸硫酸生产、钢铁冶炼等其他一些大量需氧的工业过程。我国不少地区水电资源十分丰富,可以建设水力发电电站来提供电力,再利用电力进行水电解制氢。

在甲醇生产中,用粉煤纯氧加压气化制得的合成气CO+H2占气体总量的90%,此时H2/CO=0.42,而甲醇合成化学当量比H2/CO=2,这时需配入大量的氢,才能达到此当量比。若将过量的CO变换成氢来实现,则会产生大量的CO2排放,理论上每吨甲醇排放出的CO2量为1.526t,对环境造成极大的污染。而若采用水电解氢来配入氢气,合成气中的CO就不需要变换成H2和CO2,每吨甲醇原料气配入777m3氢气,就可以达到甲醇合成所需的化学当量比,从而实现CO2的零排放,同时煤制CO+H2合成气也可以全部直接加以利用,节省了原料煤的消耗。在水电资源丰富的地区,采用粉煤气化加水电解制氢生产甲醇,

水电解制氢技术早在上世纪初就已开发成功,

煤价按300元/t,电价按0.35元/kW・h计,生产成本比用天然气为原料的低100元左右,并具有良好的社会效益、环保效益和经济效益。

近年来,国内在水电解制氢方面作了大量的研究工作,最近取得了突破性的进展。东北某科研单位近日研制出用海水电解制氢的新技术,从根本上解决了水电解制氢耗电大的难题,电解每立方米氢气耗电为2.51kW・h。该技术的各项指标居于世界领先水平,同时在制取氢气的过程中还伴有氯气和火碱等化工原料产生,也进一步降低了氢气的制取成本。据测算,建设一套日产1万m3氢气的生产装置,总投资约需人民币1亿元,建设周期两年,投产后第一年产值约3700万元,第二年7000万元,第三年8000万元以上,不到五年可收回全部投资。

联系人:汪家铭

地址:四川成都青白江区川化1村37栋24号邮编:610300电话:(028)83621163

电子邮箱:wjming56@sohu.com.

2006/11

电解制氢技术进展及应用

20世纪70年代,国外曾在水电资源丰富的地区,用

于生产合成氨。后来由于天然气、石油、煤炭制合成氨技术发展很快,且由于水电解制氢的成本过高,无法商业性的大规模利用,使水电解制氢技术未有大的进展,仍停滞在原有水平上。

水电解氢的工艺原理,是利用两个不起化学反应的电极,用一种无机酸或一种碱金属氢氧化物的水溶液传导直流电流时,在阴极生成氢气,在阳极生成氧气。现代工业化水电解制氢工艺通常是采用所有电极并联连接的单极性电解槽和所有电极串联连接的双极性电解槽进行的,操作温度一般低于80℃。当电流密度高至3229A/m时,产生每立方米氢气耗・电3.99~5.12kWh。

多年来,水电解制氢技术自开发以来一直进展不大,其主要原因是需要耗用大量的电能,电价的昂贵,使得世界上除个别地区外,合成氨生产用水电解制氢都不经济,吨氨的电耗高达3500kW・h左右。但是如果水电解制氢技术能结合现代科学开发成果,设计出先进可靠的生产装置,进一步降低设备投资

技术与市场

范文十:水电解制氢的最新进展与应用

水电解制氢的最新进展与应用

一、绿色能源氢能及其电解水制氢技术进展

摘要:随着环境污染日益严重,越来越多的研究关注于绿色无污染能源,其中氢能清洁无污

染、高效、可再生,是未来最有潜力的能源载体。利用电解水技术制氢是目前最有潜力的技术,也是一种经济有效的技术。绍了氢能的研究现状和水电制氢技术,着重介绍了碱性电解槽、子交换膜电解技术以及固体氧化物水电解技术,对现有技术进行了总结。

1. 氢能的研究现状

美国:

1990年,美国能源部(DOE)启动了一系列氢能研究项目。

2001年以来,美国政府制订了《自有车协作计划》、《美国氢能路线图》。

2004年 2月,美国能源部出台的“氢态势计划”,并提出2040年美国将实现向氢经济的过渡。

美国能源部、国防部、交通部、国家科学基金、美国宇航局和商务部以及8个国家实验室、2所大学和19 个公司签署了研发合同。

欧盟:

2001 年11 月启动的“清洁能源伙伴计划”,欧盟拨款1850万欧元支持汉堡、伦敦等 10个城市的燃料汽车示范项目。

2008年11 月初欧盟、欧洲工业委员会和欧洲研究社团联合制订了2020年氢能与燃料电池发展计划。

日本:

1993年就制订了“新阳光计划”,预计到2020年投资30亿美元用于氢能关键技术的研发。并计划在2020年实现燃料电池汽车500 万辆,建成燃料电池发电系统10000MW。 我国:

2003年11月我国加入了“氢能经济国际合作伙伴(IPHE)”,成为IPH首批成员国之一。 《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《国家“十一五”科学技术发展规划》中都列入了发展氢能和燃料电池的相关内容。

相对而言,我国在氢能和燃料电池汽车领域的技术研发工作开始得较晚,这方面的标准体系尚未形成,然而通过国内研究单位的协作努力,在材料、基础设施、燃料电池堆、整车集成等方面都已取得阶段性进展,目前已有多家企业与联合国发展计划署和全球环境基金合作,开展燃料电池客车的公交线路试运行。

2 水电解氢能的制备技术进展

发展到现在,已有三种不同种类的电解槽,分别为碱性电解槽#聚合物薄膜电解槽和固体氧化物电解槽。

① 碱性电解槽

碱性电解槽是发展时间最长、技术最为成熟的电解槽,具有操作简单、#成本低的优点,其缺点是效率最低,槽体示意图如图1 所示。国外知名的碱性电解水制氢公司有挪威留坎公司、格洛菲奥德公司和冰岛雷克雅维克公司等。电解槽一般采用压滤式复极结构或箱式单极结构,每对电解槽压在1.8~2.0V,循环方式一般采用混合碱液循环方式。

② 质子交换膜水电解(PEM)

美国汉密尔顿标准及联合技术能源公司制造的PEM水电解池在压力为2.8x106P

时,产氢速率可达到26m3/h。 PEM 水电解技术的特点在于它用一种可以使质子透过而无法使气体透过的有机物薄膜代替了传统碱性电解槽中的隔膜和电解质,从而使电解槽的体积大大缩小。PEM 水电解池的结构与 PEM 燃料电池基本相同,其核心部件亦为MEA,即由质子交换膜以及分布两侧的由催化剂构成的多孔电极组成,为了增加MEA 的纵向传输能力,扩大反应空间,有的科研单位制作的MEA还具备扩散层,及附着于催化层两侧的导电多孔层。MEA 的两端有水和气体流通的通道,即流场,刻有流场的流场板还起到集电的作用,流场板的两侧为绝缘板和起支撑作用的端板,如图3所示。

③ 固体氧化物水电解(SOEC)

相比较而言,碱性电解水和PEM电解池的工作温度均在 80℃左右,而SOEC

的工作温度为800~950℃由于在高温下工作,部分电能由热能代替,电解效率高;使用的材料为非贵金属,成本较低。SOEC结构多样,最早用于高温电解制氢研究的SOEC电池是管式构造的,这种电解槽连接简单,不需要密封,但能量密度低,加工成本高。SOEC的结构示意图如图 4 所示。水以蒸汽的形式进入电解槽,在负极被分解为H+和O2-,H+得到电子生成 H2,而 O2-则通过电解质ZrO2到达外部的阳极,生成O2。电解质的主要作用为选择性地使氧离子或质子透过但防止氧气和氢气的透过,因此,一般要求电解质致密且具有高的离子电导率。根据具体需要,SOEC还可以作为燃料电池使用,亦可将电解池和燃料电池合二为一,形成可逆的SOEC 。

总结:氢能是可以同时解决能源危机和环境污染问题的绿色能源,有着广阔的应用前景。水作为一种地球含量丰富的可再生能源,是制取氢能的重要原料之一。碱性电解水是目前应用最为普遍的电解水制氢方法,但存在污染、效率低等问题,研究新的电极和隔膜材料,是提高效率的重要途径。对于PEM水电解池而言,开发新的非贵金属催化剂和新型质子交换膜是降低成本的关键。固体氧化物电解槽目前处于早期发展阶段,如果可以解决高温运行带来的寿命问题的话,则是未来很有潜力的电解水制取氢能的方法。

二、水制氢技术研究进展

摘要: 氢能是一种高效、清洁的能源,其热值比石油还要高3倍。目前,

大部分氢气都来自于化石燃料,如天然气、石油和煤等。这些方法不具有可再生性。以水为氢源的制氢技术因其可再生性而具有很好的应用前景。以水为氢源的制氢技术主要包括电解水制氢、光催化分解水制氢、直接热分解水制氢和热化学循环裂解水制氢技术。其中,电解水制氢技术最为成熟,其不足之处在于能耗过高; 对光催化分解水制氢技术已经进行了系统研究,催化剂的性能是影响该方法的关键因素;对于直接热分解的研究相对较少; 热化学循环制氢技术的优势在于反应效率高、利于放大,如何保持反应中间媒介物的高温循环稳定性则是该方法急需解决的技术难题。

1.低过电位析氢、析氧电极材料

传统电解制氢技术制氢效率低、能耗大的主要原因是电极超电势和电阻电压降的存在。电极性能的好坏在很大程度上决定着水电解过程的能耗与成本。Pt、Pd虽具有很低的析氢过电位,但是价格昂贵,因此开发具有低析氢过电位的非贵金属合金材料更有应用前景,如

Ni-Fe、Ni-Mo-Fe和NiS等。电解水的阳极材料必须具有高的催化活性,低的析氧过电位和良好的耐酸碱性#魏子栋等发现在酸性介质中,十六烷基三甲基溴化铵对碳布电极上氧的析出有明显的促进作用,不仅增大了氧析出的电流密度,而且氧析出的电位负移1.0V。

2.质子交换膜水电解

质子交换膜水电解制氢技术具有效率高、氢气纯度高和无污染等优点。质子交换膜作为电解质具有良好的化学稳定性、质子传导性和气体分离性等优点,可以使电解槽在较高的电流下工作。目前阻碍其商业化的主要问题是材料成本过高。Ishihara等采用n(Ni):n(Fe)=9:1的Ni-Fe合金为阴极,LaGaO3基的钙钛矿氧化物为电解质进行实验,发现在2.0V内的电压下,H2的生成速率符合法拉第定律,说明氧离子的传导性很好。研究还发现降低LaGaO3基的钙钛矿氧化物电解质厚度也可以提高产氢量,在873K下,电解质厚度为0.2mm时,产氢量为 180µmol/cm2.

3.高温水蒸气电解

高温电解水制氢可以获得较高的产氢效率。它的能量来源由电能和高温热能2部分构成,温度越高制氢效率越高。因此利用高温气冷堆产生的热能和电能来高温电解水是最有吸引力的制氢方法之一。宁波材料所SOFC团队采用自主设计与研制的平板式固体氧化物燃料电池30单元电堆标准模块进行高温电解水制氢,在 800℃下,水蒸气电解转化效率维持在73.5%,在标准状态下产氢速率为94.1L/h。太阳能-蒸汽电解法制氢效率可以达到20%。高温电解水的关键是解决电解池的材料问题。梁明德等采用氨水沉淀原位合成法制备了NiO-YSZ(Y2O3稳定的ZrO2复合粉),在 850℃、水蒸气体积分数为 90%的氢电极气氛下,以0.33A/cm2恒流电解1h前、后的电解电压分别为1.09和1.16V,电解电压较低且电解池具备较好的稳定性。

三、水电解制氢技术的发展前景

固体聚合物水电解

固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte)水电解制氢技术具有效率高、能耗低、电解质性能稳定、安全可靠等优点。SPE是美国通用电气公司于20世纪50年代后期开始发展起来的,70年代初,开始将SPE应用于电解水制氢(氧)方面。90年代以后,随着各国对氢能的重视,这项技术得到进一步发展。SPE电解槽反应见图11,SPE电解槽结构见图12。

SPE水电解技术与传统碱性水电解技术的主要不同在于它用一种特殊的阳离子交换膜替代了传统碱性水电解中的隔膜和电解质,起到隔离气体及离子传导的作用。去离子水被供到膜电上,在阳极侧反应析出氧气、氢离子和电子,电子通过外电路传递到阴极,氢离子以水合的形式通过SPE膜到阴极。在阴极,氢离子和电子重新结合成氢气,同时部分水也被带到阴极。

阳极反应:H2O → 2H+ + 0.5O2 + 2e-

阴极反应:2H+ + 2e- → H2

总反应:H2O → H2 +0.5O2

SPE水电解制氢(氧)技术的核心是SPE电解槽,它由膜电极组件、双极板、密封垫片等组成。 SPE水电解技术特点:

(1)具有高的电流密度高、装置安全可靠、维修量小、使用寿命长。

(2)电解质为非透气性隔膜,能承受较大的压差,从而简化了压差控制,启动和停机迅速。众所周知,由于石棉布为透气性隔膜,碱性电解槽有非常严格的压差控制系统,以保证操作安全。而SPE电解槽由于采用固体聚合物电解质,只对氢离子有单向导通作用,因而从根本上避免了氢氧通过隔膜混合,安全性好、气体纯度高。电解质膜薄,电极间隔小,不仅降低了电压和减少了电阻,而且使装置结构紧凑。

(3)去离子水既是反应剂又是冷却剂,省去了冷却系统,减少了装置的体积和重量。由于采用了纯水作为电解液,避免了碱性电解液对槽体的腐蚀,产气纯度高,不含碱雾,经过简单分离后,可直接应用。 总之,SPE水电解技术以其电流密度高、无腐蚀性电解液、安全、性能稳定及控制简单等优点,在电解水技术中占有相当重要的位置。它不仅在军事上具有广阔的前景,而且在民用上也展示出了广阔的发展前景。虽然SPE电解水技术在我国起步较晚,但是20世纪90年代以来己取得了可喜的研究成果。通过开发新材料和新技术来发展大型SPE水电解降低单位产氢量的费用,必将增强其商业竞争力。