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水电解制氢是如何工作的?

来源:方正电气发布时间:2021-11-23 10:23:49人气:

目前,有各种已知的氢气生产方法,包括氨分解制氢、天然气制氢、甲醇裂解制氢、水电解制氢等最广泛使用的方法是水电解制氢。

水电解制氢

其中,通过水电解制氢可分为碱性氢电解和PEM纯水电解两种类型。这两种制氢方法的优缺点是:

hydrogen-production

 

 

(1)碱性水电解制氢:制氢技术历史悠久,先是从苏联学习,后来应用于国内电厂、多晶硅、化工企业、小型实验室色谱配套气源等场所,设备运行可靠,成本低廉。氢气的纯度一般在99.8%左右。但是,氢气含有腐蚀性,长期运行5年以上会腐蚀各个部件。它需要每五年进行一次大修,维护成本相对较高。废弃的碱液需要以环保的方式进行处理,并且需要对特殊人员进行培训才能工作。应特别注意氢气和氧气的调节。

用于制氢的碱性电解质

(2)PEM纯水电解制氢:该技术最早源于美国核潜艇制氧机的原理,因为它采用质子膜电解槽,通过电解纯水可以物理分离高纯氢和氧。它被广泛使用,包括发电厂,化工,冶金,玻璃,医疗,高端实验室等,并且有取代碱性的趋势

电解-图形-英文

 

液体电解制氢。而且技术设备体积小,产生的氢气纯度高,≥99.9995%,整个操作过程无污染,操作简单,可实现远程无人值守操作。安全性能高,运行时间长,电解槽的寿命一般在15年左右。

这类装置的最大特点是采用纯水电解,无污染,无腐蚀,氢气纯度更高。与传统的碱性制氢装置相比,其优点包括能够满足大电流密度运行,电流密度可达到1A/cm2以上;能耗低,效率高,电解制氢效率可达85%以上;3.重量轻。对宽功率波动电源具有良好的适应性,可实现0%~100%产氢的智能调节。该设备集成度高,可实现长期稳定运行。

缺点是设备的成本比碱液电解用于制氢的成本更昂贵,主要来自铂催化剂。目前,各国正在研究质子膜上突破性铂催化剂的替代材料。未来的发展是意料之中的。

碱性水电解制氢原理

水电解制氢设备已得到越来越广泛的应用,包括新能源、电力、石化、制药、冶金、多晶硅、气象、航空航天等领域及各大天然气企业。电解水法产生的氢气纯度可高达99%以上,是工业生产氢气的重要方法。电解氢氧化钠(钾)溶液时,氧气从阳极释放,氢气从阴极释放。

从电解水中制氢的原理是电解过程。在直流电的帮助下,溶解在水中的电解质被分解成新的物质。电解水的原理 当直流电施加到一些水性电解质溶液中时,分解的物质与原始电解质无关。分解的是作为溶剂的水,原来的电解质留在水中。例如,硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等都属于这类电解质。电解水时,由于纯水的电离度很小,电导率低,是典型的弱电解质,所以需要加入上述电解质来增加溶液的电导率,这样水才能顺利电解成氢气和氧气。氢氧化钾和其他电解质不会被电解。现在以氢氧化钾为例:

(1)氢氧化钾是一种强电解质。溶解在水中后发生以下电离过程:

因此,在水溶液中产生大量的K+和OH-。

(2)水溶液中金属离子的活性不同,可按活性顺序排列:K>Na>Mg>Al> Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg> Ag> Au,在上述排列中, 前金属比后金属更活泼。

(3)在金属的活性序列中,金属的活性越高,就越容易失去电子,否则情况正好相反。从电化学理论的角度来看,容易获得电子的金属离子具有很高的电极电位,而按活性顺序排列的金属离子由于其电极电位低而难以获得电子并成为原子。电极电位H+=-1.71V,电极电位K+=-2.66V,所以当H+和K+同时存在于水溶液中时,H+会先在阴极上得到电子变成氢气,而K+则保持在溶液中。

(4)水是弱电解质,不易电离。当KOH溶解在水中时,极化水分子包围电离的K+并成为水合的钾离子,并且由于K +的作用,水分子具有极性方向。在直流电的作用下,K+以极性取向的水分子移动到阴极。此时,H+将首先获得电子并变成氢。

水的电解方程:当直流电施加到氢氧化钾的水溶液中时,阴极和阳极分别发生以下放电反应,如下图所示。

water electrolysis               

碱性水溶液的电解

(1)阴极反应。电解质中的H+(水电离后产生)被阴极吸引并朝阴极移动,接受电子沉淀氢气,其放电反应为:

图片1

 (2)阳极反应。电解质中的OH-被阳极吸引并移动到阳极,最后发射电子成为水和氧。其放电反应为:

图片2

阳极和阴极的总反应式为:

图片3

因此,在以KOH为电解质的电解过程中,水实际上是电解产生氢气和氧气,KOH只起到携带电荷的作用。

关键词:电解 制氢

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