Welcome!          Run-Time Systems

 на главную    Введение     Практика


ТЕОРИЯ

 

ТЕРМОДИНАМИКА  ЭЛЕКТРОЛИЗА  ВОДЫ

 

 При обычном электролизе воды водород образуется путем электролиза кислого или

щелочного водного раствора.  Общая реакция происходит следующим образом:

 

                                  H2O + электрическая энергия --> H2 + 1/22                    ( 1 )

 

 где электрическая энергия превращается в химическую энергию в виде водорода и кислорода.

           Реакция на электродах может быть следующей:

           а. Катод (водородный электрод)

                                                     2H2O + 2e- --> Н2 + 2OH-                                       ( 2 )

           б. Анод (кислородный электрод)

                                                   2OH- - 2e- --> 1/2*O2 + H2O                                      ( 3)

 

  В этом процессе вода расходуется, и только два электрона участвуют в диссоциации одной

 молекулы воды.  При электролизе воды нет побочных реакций, которые могли бы привести

 к нежелательным продуктам, поэтому процесс является чистым и не требует дополнительного

 разделения или очистки продуктов.

 

             Первый закон термодинамики для открытой системы гласит:

 

                                                          Q – Ws = AH                                                       ( 4 )

 

 где Q - тепло, добавляемое в систему, Ws - полезная работа, выполняемая системой, и AН

 изменение энтропии системы. Поскольку проделанная работа представляет собой

электрическую энергию, приложенную к электролизеру,  Ws  дается как:

 

                                                           Ws = -n F E                                                         (5 )

              где:

              n   -   число переданных электронов;

              F   -   постоянная Фарадея;  = 23,074 кал / вольт.гм экв;  

              Е  -   является электрическим потенциалом, приложенным к ячейке в вольтах.

               манипулирование уравнениями (4) и (5) дает:

 

                                                 E  = ( AH – Q ) / ( n F )                                               ( 6 )

 

              Для изотермического обратимого процесса (без потерь) Q задается как

 

                                                          Qrev = TAS                                                        ( 7 )

 

 где T - температура, а AS - изменение энтропии системы.  Подстановка уравнения ( 7 )

 в уравнение ( 6 ) приводит к определению обратимого потенциала ячейки, ниже которого

 не могут генерироваться ни водород, ни кислород.

 

                                                Erev = ( AH – TAS ) / ( nF )                                          ( 8 )

 

 ( AH - TAS) является изменение системы свободной энергии Гиббса AG.  При стандартных

 условиях ( 25 ° C и 1 атм ) AH равняется  68,320 кал / гмоль и AG равняется 56,690 кал / гмоль.

             Следовательно, обратимый потенциал ячейки равен

 

                                  E =  AG / n F = 56,690 / 2 ( 23,074 ) = 1,23 volts                     ( 9 )

 

 Из-за неэффективности процесса электролиза потенциал, необходимый для приведения

электролизера в рабочее состояние с практической скоростью образования водорода

 (т. е. ток I, который пропорционален образованию водорода), выше, чем обратимый

потенциал элемента.  В уравнении (6) n и F являются константами, и для тех же условий

давления, температуры и концентрации электролита AH является постоянной величиной, и

Q будет изменяться при изменении E.  Поскольку процесс становится необратимым и

 неэффективным, Q уменьшается и в конечном итоге становится отрицательным, когда

электрическая энергия теряется в виде тепла.  В точке, где нет необходимости добавлять

 тепло в элемент ( Q = 0 ) и вся необходимая энергия поставляется за счет электрической

энергии, соответствующий потенциал элемента называется напряжением термо-

               нейтрального излучения.  Этот потенциал дается:

 

                                     Etermo =  AH / (  n F ) = 1,48 volts                                       ( 10 )

 

 Тем не менее, конструкция токовой ячейки требует рабочих напряжений, превышающих

 напряжение термонейтрального излучения.  При этих рабочих напряжениях часть

электрической энергии теряется в виде тепла, которое повышает температуру элемента и

 требует охлаждения элемента.  Рабочий потенциал электролизера определяется как:

  

                                               E = Erev + Losses                                                    ( 11 )

 

              где Losses - потери в процессе электролиза составляют:

 

                                 Losses = Eanode + Ecathode + Emt + IR                            ( 12 )

              где

              Еanode     - перенапряжение активации анода

              Еcathode - перенапряжение активации катода

              Emt            - перенапряжение массопереноса

              IR               -омическое перенапряжение ( I - ток, а R - сопротивление элемента, которое

                                      включает электролит, электрод и клеммы)

 

               Эффективность обычного электролизера определяется:

 

                              Эффект = AH / ( AG – Losses ) = Etermo / E                          ( 13 )

 

  Следовательно, в идеальных условиях (без потерь или обратимых процессов) производство

 водорода будет осуществляться с эффективностью 120  процентов, а при термонейтральных

условиях эффективность ячейки составляет 100  процентов.

 

 Современные электролизеры работают с эффективностью 75 процентов.  Анализ эксергии

 процесса электролиза воды показывает, что большая часть потерь обусловлена внутренней

конструкцией ячейки, а не внешней эмиссией.  Для достижения более высокой эффективности

электролиза текущие исследования направлены на оптимизацию конструкции ячейки для

 снижения внутренних потерь.

 

 Данный материал является переводом из: Shaaban, Aly H. Pulsed DC and Anode Depolarization in Water Electrolysis for Hydrogen Generation, Air Force Civil, p.3-5


e-mail:rts@rtsrts.com tel:( 343 )290-54-40


Copyright (C)RTsRTs 2000-2019