Характеристики электролизёра

Лабораторная работа 1.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА ВОДЫ С ТВЁРДОПОЛИМЕРНЫМ  ЭЛЕКТРОЛИТОМ

Цель работы

- ознакомление с устройством и принципом действия электролизёра воды с твёрдополимерным электролитом;

- определение выхода по энергии;

- определение выхода по току;

- определение производительности и КПД электролизёра.

Процесс электролиза

В общем случае электролиз воды можно описать уравнением

                                Н₂О → Н₂ + 0,5 О₂                                               (1.1)

Выделение водорода происходит на катоде, а кислорода – на аноде электролизера.

Широкое распространение в настоящее время получили электролизеры на основе твердополимерного электролита (ТПЭ). ТПЭ представляет собой мембрану из перфторполимера (марки Нафион, либо МФ-4СК отечественная), обладающую ионной проводимостью. Проводимость мембраны обусловлена наличием вшитых в полимер сульфогрупп (-SO₃H) с подвижным атомом водорода, что и придает мембране ионогенные свойства. По ряду свойств такая мембрана близка к фторопласту, но в то же время при набухании в воде она становится эквивалентной (10 ÷ 12) %-му раствору серной кислоты.

По обе стороны мембраны наносится слой электрокатализатора. Используются электрокатализаторы на основе металлов Pt группы.

На аноде: Ir (или его оксид), Ru_xIr_ySn_1-x-yO₂ и Ru_xTi_ySn_1-x-yO₂ с расходом катализатора 2,0 мг/см²;

На катоде: Pt или Pd, в том числе на углеродном носителе.

При достижении потенциала разложения вода диссоциирует на водород и кислород (рис. 1.1).

На аноде электролизера с ТПЭ происходит выделение кислорода, который поступает в анодное пространство:

                                   H₂O ® 1/2O₂ + 2ē + 2H⁺ (Е^о = 1,229 В при 25^оС)

 Ионы водорода переносятся через ионообменную мембрану (ТПЭ) и на катоде происходит выделение водорода по реакции:

                                    2H⁺ + 2ē ® H₂          (Е^о = 0 В при 25^оС)

Суммарная реакция: H₂O ® H₂ + 1/2O₂        (Е^о = 1,229 В при 25^оС)

                                                                                       

Рис. 1.1. Схематическое изображение принципа работы электролизера на ТПЭ:

К – катод, А - анод

 

Напряжение разложения воды Е₀ равно разности потенциалов анода Е_А и катода Е_К, то есть Е₀ = Е_А – Е_К. Эта разность равна ЭДС водородно-кислородного гальванического элемента.

Изменение стандартного изобарно-изотермического потенциала ΔG⁰ в токообразующей реакции записывается как:

                                                             ΔG⁰ = - n.F.E₀,                                             (1.2)

где n - число эквивалентов вещества, участвующих в реакции; F – постоянная Фарадея.

Токообразующей реакцией в водородно-кислородном гальваническом элементе является реакция, обратная реакции (1.1), для которой ΔG⁰ = -237,00 кДж/моль. Учитывая, что F = 96484,56 Кл/моль, из уравнения (1.2) получим:

                          Е₀ = - ΔG⁰/ n.F = 237000/2.96484,56 = 1,228 В                             (1.3)

 

При протекании процесса электролиза в изотермических условиях (при Т = 298 К), когда отсутствует теплообмен с окружающей средой и ΔG0 = ΔН0, по аналогии с уравнением (1.3) получим:

                           Е = - ΔН⁰/ n^.F = 286260/2. 96484,56 = 1,483 В,                             (1.4)

где Е = 1,483 В – напряжение (или потенциал) разложения воды в изотермических условиях или, так называемый термонейтральный потенциал.

С другой стороны, рассмотрение электролизной ячейки как системы с газовыми электродами приводит к представлению обратимого потенциала в виде:

                                 E = E₀ +(RT/2F)ln(P_o^1/2 P_H/K_эл)                                   (1.5) 

где: P_H  и P_o парциальные давления водорода и кислорода, K_эл – активность электролита

     

   

 

При напряжении на электролизной ячейке, равной Е, скорость процесса получения водорода равна нулю. Для проведения процесса электролиза при отличной от нуля скорости выделения водорода  требуется соответствующее смещение потенциалов электродов от равновесия, что достигается увеличением напряжения на ячейке. Напряжение необходимо  увеличить  на перенапряжение катодной - выделение водорода (η _к) и анодной - выделение кислорода (η _а) реакций. Кроме того, в системе возникают омические (IR) потери, связанные с сопротивлением электролита и электронных проводников при прохождении тока. В связи с этим напряжение на ячейке электролизера (U) отличается от равновесного значения (Е):

               U = Е + η_к +η_а + IR.                                                   (1.6)

Значения η _к и η _а в первом приближении связаны с плотностью тока уравнением Тафеля:

               η = a + b·ln i,                                                          (1.7)

где   и , a - коэффициент переноса, приблизительно равный 0,5.

Таким образом,   U = Е + IR + (a + b·ln i), то есть отличие U от Е растет с плотностью тока (рис. 1.2).  

Рис.1.2. Вольт-амперные характеристики электролизёра: 1 – давление водорода -;

Характеристики электролизёра.

 

Электролизер на ТПЭ обладает более высоким КПД по сравнению со щелочным, так как потенциал перехода и перенапряжение перехода, а также перенапряжение проводимости ниже, чем в щелочном электролизере. Высокая плотность тока (до 3 А/см²), низкое энергопотребление (до 3,6-4,0 кВт×час/м³ при плотностях тока до 1 A/cм²), высокая чистота образующегося водорода (> 99,99 %) и кислорода (> 99,5 %), возможность получения водорода под высоким давлением (до 3,0 МПа и более) непосредственно в электролизере, что  снижает затраты на компремирование водорода – определили интерес к этому типу электролизёров.

К достоинствам таких электролизеров относятся низкое удельное сопротивление электролита (10 ÷ 20 Ом^.см) и малое расстояние между электродами, так как толщина мембраны (150 ÷ 300 мкм) определяет низкие омические потери между электродами

  Количество водорода G, л/ч, образующегося в процессе электролиза, определяется из уравнения

                                     G = 3600^.I^.V₀^.N/2F,                                                       (1.8)

где V₀ - мольный объем водорода  при н.у.; N – число ячеек электролизера.

 

В качестве энергетической  характеристики электролизера воды на практике используется величина удельных затрат электроэнергии (W) на производство 1 м³ водорода при нормальных условиях (выход по энергии) с размерностью [кВт´час/м³]. Удельные энергозатраты определяются уравнением

 

                ,                                                            (1.9)

 

где I – сила тока, [A]; U – напряжение электролизера, [В]; t – время, [час]; V_{реальн.} – объем произведенного газа, [м³].

При сравнении эффективности различных электролизеров (батарей электролизных ячеек), в значение удельных энергозатрат (как и в КПД) обычно не включают затраты на работу вспомогательных систем, водоподготовку и т.п., а так же КПД выпрямителя тока, которые могут на 20% и более увеличивать удельные энергозатраты.

Теоретическая (термодинамическая) эффективность электролизёра:

                                                                 (1.10)

Характеристикой производительности электролизёра принято считать выход по току, h_т представляющий собой количество полученного за время t (секунд) молей  водорода G _р, отнесённого к величине заряда, протёкшего через электролизёр.

                              h_т = G_р^.F/I^.t

Реальная эффективность всегда ниже термодинамической и равна эффективности, умноженной на выход по току.  

                        η_р = h_т*h_эл.                                                                        (1.11)

Энергетический КПД η _эн электролизёра определяется, как отношение энергосодержания   Q (Дж/моль) плученного водорода к количеству электроэнергии, затраченной на его получение.

                                      η _эн = V_реальн^. ρ^. Q/I^.U^.t = Q^. ρ /W

Для промышленных щелочных электролизеров напряжение электролиза равно, как правило, U = 2,3 В. Электролизеры с ТПЭ имеют относительно низкие значения напряжения на электродах – параметра, характеризующего энергозатраты. При Т = 95⁰С и плотности тока i = 1 А/см² напряжение на ячейке составляет U = 1,78 В, а расход электроэнергии 4,3 кВт-ч на 1 м³ Н₂ при нормальных условиях.