Низкоамперный электролиз воды: НИЗКОАМПЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ — PDF Free Download

Низкоамперный электролиз воды — Студопедия

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. В соответствии с законом Фарадея, затраты энергии на получение одного кубического метра водорода в этом случае составляют около 4 кВтч/ [40]. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, равно 1,23 В [49].

Возникает вопрос: как же идёт электролиз воды при фотосинтезе, когда явно отсутствует источник электроэнергии? Есть основания полагать, что при фотосинтезе молекула водорода выделяется из кластера воды (рис. 70, а и b) в синтезированном состоянии без использования электронов от постороннего источника электроэнергии.

 

Рис. 70. Схема формирования второй структуры молекулы ортоводорода в структуре кластера из двух молекул воды (0,485 eV – энергия разрыва кластера воды при её испарении)

 

Функцию первичного источника энергии при фотосинтезе выполняют фотоны, поглощаемые валентными электронами и ослабляющими связи между электронами молекулы ортоводорода и электронами гидроксилов , которые формируются в кластерах воды (рис. 70). В результате молекула ортоводорода выделяется из такого кластера в синтезированном состоянии (рис. 70, с).

После выделения молекулы ортоводорода из кластера воды электроны молекул ортоводорода вступают в связь с валентными электронами других атомов и образуются молекулы других химических соединений. Например, молекулы бензола (рис. 71).

 

Рис. 71. Структура молекулы бензола

 

В результате молекула водорода разделяется на атомы водорода в условиях отсутствия фазы свободного состояния атомов водорода, которые существуют в плазменном состоянии при температуре до 10000С.

В описанном случае процесс выделения молекулы водорода из кластеров молекул воды идёт без электронов, получаемых из катода. Именно этот процесс электролиза идёт при фотосинтезе и мы попытаемся смоделировать его в техническом устройстве. А сейчас рассмотрим детали процесса выделения молекул водорода из кластера, состоящего из молекулы воды и иона в электрическом поле электролизёра (рис. 72).

 

Рис. 72. Схема процесса низкоамперного электролиза

 

На рис. 72 показан анод слева, а катод справа. Протон Р атома водорода в молекуле воды ориентирован к катоду, а другой протон этой молекулы соединяется с протоном иона (слева). В результате образуется кластерная цепочка, с правой стороны которой расположена молекула воды (рис. 50), слева — ион (рис. 52, а), а в центре — молекула ортоводорода (рис. 53, а, b).

Обратим внимание на то, что осевой электрон атома кислорода и шесть кольцевых электронов иона притягиваются к аноду одновременно (рис. 72, а слева). Электростатические силы, притягивающие шесть кольцевых электронов к аноду, деформируют электростатическое поле так, что осевой электрон приближается к ядру атома кислорода, а шесть кольцевых электронов удаляются от ядра атома. В этом случае энергии связи между протонами и электронами в сформировавшейся таким образом молекуле водорода распределяются так, что энергия связи между атомами водорода в его молекуле увеличивается до 4,53 eV, а между электронами атомов кислорода в ионах и электронами атомов водорода становятся равными нулю и молекула водорода выделяется из кластерной цепочки. Два атома кислорода образуют его молекулу, и она также выделяется.

Таким образом, в электролитическом растворе под действием электростатического поля формируются сложные кластерные цепочки со строгой ориентацией между анодом и катодом [41]. Под действием электрического поля кластерная цепочка удлиняется, одновременно изменяются и энергии связи между элементами такой цепочки. Если мы возьмём за основу результаты эксперимента, приведенные на рис. 72, а, то минимальная энергия (≈4 Вт), при которой идет процесс электролиза, приведенная к энергии связи (0,17 eV) между электронами иона в цепочке (рис.

72, а) и молекулы воды, оказывается порядка 0,17 eV. Две таких связи дают энергию 0,34 eV, что меньше энергии 0,485 eV , при которой кластер из двух молекул разрывается при испарении молекул воды. Кроме этого, формирование молекулы ортоводорода увеличивает энергию связи между атомами водорода с 0,485 eV до 4,53 eV. Энергии связи 0,17 eV (рис. 72, а) уменьшаются до нуля (рис. 72, b) и сформировавшаяся молекула ортоводорода оказывается свободной.

Конечно, это упрощенная схема. При более сложном процессе возможно формирование молекул перекиси водорода перед образованием молекулы кислорода. Именно к этому приводит малейшее нарушение оптимального сочетания параметров процесса электролиза.

Рассмотрим теперь реакции, протекающие у анода. Известно, что ион гидроксила (рис. 72, а), имея отрицательный заряд , движется к аноду (рис. 72, а). Два иона гидроксила, отдавая по одному электрону аноду и, соединяясь, друг с другом, образуют перекись водорода (рис. 72, b).

Известно, что процесс образования перекиси водорода эндотермический, а молекулы кислорода — экзотермический. При получении одного кубического метра водорода процесс образования перекиси водорода поглощает 22,32х109,00=2432,88 кДж. В силу этого даже при плазмоэлектролитическом процессе температура раствора в зоне анода остаётся низкой.

Если бы существовал процесс синтеза молекул кислорода, то при получении одного кубического метра водорода в зоне анода выделилось бы 22,32х495,00=11048,40 кДж. Вычитая из этой величины энергию, поглощенную при синтезе перекиси водорода, получим 11048,40-2432,88=8615,52 кДж. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода 19463,00 кДж, получим 28078,52 кДж. В этом случае общий показатель тепловой энергетической эффективности должен быть таким =28078,52/14400=1,95. Поскольку в реальности этой энергии нет, то этот факт подтверждает гипотезу об отсутствии процесса синтеза молекул водорода в зоне катода и молекул кислорода в зоне анода при низковольтном электролизе.

Молекула водорода (рис. 72, b) и атом кислорода (рис. 72, b) формируются в кластерных цепочках до выделения их в свободное состояние, поэтому и не генерируется энергия их синтеза.

После передачи двумя ионами гидроксила двух электронов аноду (рис. 72, а) образуется молекула перекиси водорода (рис. 72, b), которая, распадаясь, образует молекулу кислорода (рис. 72, с) и два атома водорода; последние, соединяясь с ионами гидроксила, образуют две молекулы воды (рис. 72, d,e). С учетом этого химическая реакция в зоне анода запишется так

(97)

 

А теперь опишем результаты экспериментов, показывающих связь, новой теории электролиза воды с реальностью.

 

Низковольтный электролиз воды. Низкоамперный электролиз воды. Как протекает электролиз

Электролиз воды – это хорошо известный для всех кто дружит с техникой процесс электролиза, у которого в качестве электролита используется вода.

Впрочем, необходимо отметить, что вода при электролизе присутствует всегда. Вначале рассмотрим, что же представляет из себя процесс электролиза в общем.

Электролиз

Электролиз – это электрохимический процесс, который осуществляется через размещение в электролите двух электродов и подключении к ним постоянного тока.

Электролитами называются жидкие проводники, которые относятся к проводникам второго типа. Под жидкими проводниками понимаются жидкости / растворы обладающие электропроводностью.

Для справки добавим, что сосуды, в которые наливаются электролиты, называются гальваническими ваннами.

В ходе процесса электролиза, ионы под воздействием электромагнитного поля, образуемого в электролите постоянным электрическим током, начинают движение к электродам. Ионы с положительным зарядом, в соответствии с законами физики, двигаются к электроду с отрицательным зарядом, который называется КАТОДОМ, а отрицательно заряженные ионы соответственно перемещаются к другому электроду, называемому АНОДОМ. Электролиз сопровождается выделением на электродах веществ, что указывает на движение в электролитах атомов. Например, как правило, металлы и водород выделяются на КАТОДЕ.

На прохождение процесса электролиза влияет несколько факторов:

• сила тока, подключаемого к электродам;
• потенциал ионов;
• состав электролита;
• материал, из которого изготовлены электроды — КАТОД и АНОД.

Электролиз воды

Как мы уже отмечали выше, электролиз воды подразумевает использование в качестве электролита воды.

Как правило, при электролизе воды, для лучшего прохождения процесса, в воду добавляют немного какого либо вещества, например пищевой соды, но не обязательно, поскольку обычная вода практически всегда уже содержит примеси.

В результате электролиза воды выделяются водород и кислород. Кислород будет выделяться на АНОДЕ, а водород на КАТОДЕ.

Применение электролиза воды

Технология электролиза воды применяется:

• в системах очистки воды от всевозможных примесей;
• для получения водорода. Водород же, например, используют в весьма перспективной отрасли — водородной энергетике. Про это мы более детально уже писали в нашем материале .

Как мы видим, электролиз воды, несмотря на кажущуюся свою простоту, применяется в весьма важных областях — в областях от которых зависит развитие и процветание всей нашей цивилизации.

Электролиз широко используется в производственной сфере, например, для получения алюминия (аппараты с обожженными анодами РА-300, РА-400, РА-550 и т.д.) или хлора (промышленные установки Asahi Kasei). В быту этот электрохимический процесс применялся значительно реже, в качестве примера можно привести электролизер для бассейна Intellichlor или плазменный сварочный аппарат Star 7000. Увеличение стоимости топлива, тарифов на газ и отопление в корне поменяли ситуацию, сделав популярной идею электролиза воды в домашних условиях. Рассмотрим, что представляют собой устройства для расщепления воды (электролизеры), и какова их конструкция, а также, как сделать простой аппарат своими руками.

Что такое электролизер, его характеристики и применение

Так называют устройство для одноименного электрохимического процесса, которому требуется внешний источник питания. Конструктивно это аппарат представляет собой заполненную электролитом ванну, в которую помещены два или более электродов.

Основная характеристика подобных устройств – производительность, часто это параметр указывается в наименовании модели, например, в стационарных электролизных установках СЭУ-10, СЭУ-20, СЭУ-40, МБЭ-125 (мембранные блочные электролизеры) и т.д. В данных случаях цифры указывают на выработку водорода (м 3 /ч).

Что касается остальных характеристик, то они зависят от конкретного типа устройства и сферы применения, например, когда осуществляется электролиз воды, на КПД установки влияют следующие параметры:

Таким образом, подавая на выходы 14 вольт, мы получим 2 вольта на каждой ячейке, при этом на пластинах с каждой стороны будут разные потенциалы. Электролизеры, где используется подобная система подключения пластин, называются сухими.

1. Расстояние между пластинами (между катодным и анодным пространством), чем оно меньше, тем меньше будет сопротивление и, следовательно, больший ток пройдет через раствор электролита, что приведет к увеличению выработки газа.
2. Размеры пластины (имеется в виду площадь электродов), прямо пропорциональны току, идущему через электролит, а значит, также оказывают влияние на производительность.
3. Концентрация электролита и его тепловой баланс.
4. Характеристики материала, используемого для изготовления электродов (золото – идеальный материал, но слишком дорогой, поэтому в самодельных схемах используется нержавейка).
5. Применение катализаторов процесса и т.д.

Как уже упоминалось выше, установки данного типа могут использоваться как генератор водорода, для получения хлора, алюминия или других веществ. Они также применяются в качестве устройств, при помощи которых осуществляется очистка и обеззараживание воды (УПЭВ, VGE), а также проводится сравнительный анализ ее качества (Tesp 001).

Нас, прежде всего, интересуют устройства, производящие газ Брауна (водород с кислородом), поскольку именно эта смесь имеет все перспективы для использования в качестве альтернативного энергоносителя или добавок к топливу. Их мы рассмотрим чуть позже, а пока перейдем к конструкции и принципу работы простейшего электролизера, расщепляющего воду на водород и кислород.

Устройство и подробный принцип работы

Аппараты для производства гремучего газа, в целях безопасности, не предполагают его накопление, то есть газовая смесь сжигается сразу после получения. Это несколько упрощает конструкцию. В предыдущем разделе мы рассмотрели основные критерии, влияющие на производительность аппарата и накладывающие определенные требования к исполнению.

Принцип работы устройства демонстрирует рисунок 4, источник постоянного напряжения подключен к погруженным в раствор электролита электродам. В результате через него начинает проходить ток, напряжение которого выше точки разложения молекул воды.

Рисунок 4. Конструкция простого электролизера

В результате этого электрохимического процесса катод выделяет водород, а анод – кислород, в соотношении 2 к 1.

Виды электролизеров

Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.

Сухие

Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.

Проточные

С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».

Рис 5. Конструкция проточного электролизера

Принцип работы устройства следующий:

• входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
• в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
• электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».

Мембранные

Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.

Рис 6. Электролизер мембранного типа

Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.

Диафрагменные

В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.

Пояснение:

1. Выход для кислорода.
2. U-образная колба.
3. Выход для водорода.
4. Анод.
5. Катод.
6. Диафрагма.

Щелочные

Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.

На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO 3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:

1. Можно использовать железные электроды.
2. Не выделяются вредные вещества.

Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.

Электролизер для получения водорода: чертежи, схема

Рассмотрим, как можно сделать мощную газовую горелку, работающую от смеси водорода с кислородом. Схему такого устройства можно посмотреть на рисунке 8.

Рис. 8. Устройство водородной горелки

Пояснение:

1. Сопло горелки.
2. Резиновые трубки.
3. Второй водяной затвор.
4. Первый водяной затвор.
5. Анод.
6. Катод.
7. Электроды.
8. Ванна электролизера.

На рисунке 9 представлена принципиальная схема блока питания для электролизера нашей горелки.

Рис. 9. Блок питания электролизной горелки

На мощный выпрямитель нам понадобятся следующие детали:

• Транзисторы: VT1 – МП26Б; VT2 – П308.
• Тиристоры: VS1 – КУ202Н.
• Диоды: VD1-VD4 – Д232; VD5 – Д226Б; VD6, VD7 – Д814Б.
• Конденсаторы: 0,5 мкФ.
• Переменные резисторы: R3 -22 кОм.
• Резисторы: R1 – 30 кОм; R2 – 15 кОм; R4 – 800 Ом; R5 – 2,7 кОм; R6 – 3 кОм; R7 – 10 кОм.
• PA1 – амперметр со шкалой измерения не менее 20 А.

Краткая инструкция по деталям к электролизеру.

Ванну можно сделать из старого аккумулятора. Пластины следует нарезать 150х150 мм из кровельного железа (толщина листа 0,5 мм). Для работы с вышеописанным блоком питания потребуется собрать электролизер на 81 ячейку. Чертеж, по которому выполняется монтаж, приведен на рисунке 10.

Рис. 10. Чертеж электролизера для водородной горелки

Заметим, что обслуживание такого устройства и управление им не вызывает трудностей.

Электролизер для автомобиля своими руками

В интернете можно найти много схем HHO систем, которые, если верить авторам, позволяют экономить от 30% до 50% топлива. Такие заявления слишком оптимистичны и, как правило, не подтверждаются никакими доказательствами. Упрощенная схема такой системы продемонстрирована на 11 рисунке.

Упрощенная схема электролизера для автомобиля

По идее, такое устройство должно снизить расход топлива за счет его полного выгорания. Для этого в воздушный фильтр топливной системы подается смесь Брауна. Это водород с кислородом, полученные из электролизера, запитанного от внутренней сети автомобиля, что повышает расход топлива. Замкнутый круг.

Безусловно, может быть задействована схема шим регулятора силы тока, использован более эффективный импульсный блок питания или другие хитрости, позволяющие снизить расход энергии. Иногда в интернете попадаются предложения приобрести низкоамперный БП для электролизера, что вообще является нонсенсом, поскольку производительность процесса напрямую зависит от силы тока.

Это как система Кузнецова, активатор воды которой утерян, а патент отсутствует и т.д. В приведенных видео, где рассказывают о неоспоримых преимуществах таких систем, практически нет аргументированных доводов. Это не значит, что идея не имеет прав на существование, но заявленная экономия «слегка» преувеличена.

Электролизер своими руками для отопления дома

Делать самодельный электролизер для отопления дома на данный момент не имеет смысла, поскольку стоимость водорода, полученного путем электролиза значительно дороже природного газа или других теплоносителей.

Также следует учитывать, что температуру горения водорода не выдержит никакой металл. Правда имеется решение, которое запатентовал Стен Мартин, позволяющее обойти эту проблему. Необходимо обратить внимание на ключевой момент, позволяющий отличить достойную идею от очевидного бреда. Разница между ними заключается в том, что на первый выдают патент, а второй находит своих сторонников в интернете.

На этом можно было бы и закончить статью о бытовых и промышленных электролизерах, но имеет смысл сделать небольшой обзор компаний, производящих эти устройства.

Обзор производителей электролизеров

Перечислим производителей, выпускающих топливные элементы на базе электролизеров, некоторые компании также выпускают и бытовые устройства: NEL Hydrogen (Норвегия, на рынке с 1927 года), Hydrogenics (Бельгия), Teledyne Inc (США), Уралхиммаш (Россия), РусАл (Россия, существенно усовершенствовали технологию Содерберга), РутТех (Россия).

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока вода разлагается на кислород и водород. Постоянное напряжение для ячейки получается, как правило, выпрямлением трехфазного переменного тока. В электролитической ячейке дистиллированная вода подвергается электролизу, при этом химическая реакция идет по следующей известной схеме: 2Н2O + энергия -> 2h3+O2.

В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше чем кислорода. Перед использованием газы в установке обезвоживаются и охлаждаются. Выходные трубопроводы установки всегда защищены возвратными клапанами для предотвращения возгораний.

Непосредственно каркас конструкции изготавливается из стальных труб и толстых листов стали, что придает всей конструкции высокую жесткость и механическую прочность. Газовые резервуары обязательно тестируются под давлением.

Электронный блок устройства контролирует все стадии процесса производства, и позволяет оператору следить за параметрами на панели и на манометрах, чем обеспечивает безопасность. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт.

Поэтому электролизные установки и получаемый на них водород, находят сегодня применение во многих отраслях: в химическом синтезе, в термической обработке металлов, в производстве растительных масел, в стекольной промышленности, в электронике, в системах охлаждения в энергетике и т. д.

Установка для электролиза устроена следующим образом. Снаружи расположена панель управления генератором водорода. Далее установлены выпрямитель, трансформатор, распределительное устройство, система деминерализованной воды и блок для ее пополнения.

В электролитической ячейке на стороне катодной пластины получается водород, а на стороне анодной — кислород. Здесь газы покидают ячейку. Они разделяются и подаются в сепаратор, затем охлаждаются деминерализованной водой, после чего отделяются под действием гравитации от жидкой фазы. Водород направляется в промыватель, где из газа удаляются капли щелока и происходит охлаждение в змеевике.

Наконец, водород проходит фильтрацию (фильтр на верху сепаратора), где капельки воды полностью устраняются, и поступает в сушильную камеру. Кислород обычно направляется в атмосферу. Деминерализованная вода подается в промыватель насосом.

Щелок используют здесь для повышения электропроводности воды. Если эксплуатация электролизера идет штатно, то щелок пополняют единожды в год в небольшом количестве. Твердое едкое кали кладется в резервуар для щелока, заполненный на две трети деминерализованной водой, после чего насос перемешивает его в раствор.

Система водяного охлаждения электролизера служит двум целям: охлаждает щелок до 80-90°C и охлаждает полученные газы до 40°C.

Система анализа газа принимает пробы водорода. Капли щелока в сепараторе отделяются, газ подается к анализатору, давление понижается, проверяется содержание в водороде кислорода. Прежде чем водород будет направлен в резервуар, во влагомере будет измерена точка росы. Сигнал будет подан оператору или на ПК, чтобы решить, подходит ли полученный водород для направления в накопительный резервуар, соответствует ли газ условиям приема.

Рабочее давление установки регулируется при помощи системы автоматического контроля. Датчик получает информацию о давлении внутри электролизера, затем данные направляются на ПК, где сравниваются с заданными параметрами. Далее результат преобразуется в сигнал порядка 10 мА, и рабочее давление удерживается на заданном уровне.

Рабочая температура установки регулируется пневматическим мембранным клапаном. Компьютер аналогичным образом сравнит температуру с заданной, и разница будет преобразована в соответствующий сигнал для .

Безопасность работы электролизера обеспечивается системой блокировки и сигнализации. В случае утечки водорода, обнаружение происходит автоматически детекторами. Программа при этом сразу отключает генерацию и запускает вентилятор для проветривания помещения. Переносной детектор утечки находится обязательно у оператора. Все эти меры позволяют достичь высокой степени безопасности при эксплуатации электролизеров.

Введение

За последние десятилетия созданы сотни установок электролиза воды для получения водорода и кислорода, оборудованных электролизерами, которые работают как при атмосферном, так и при повышенном давлении. В настоящее время только на электростанциях работает около тысячи электролизеров различного типа.

Для удовлетворения нужд народного хозяйства в электролитическом водороде в ближайшие годы дополнительно потребуется значительное количество мощных электролизеров производительностью по 500 — 650 водорода и более мелких электролизеров для выработки небольших количеств водорода.

Во многих странах электролизные установки использовались для получения тяжелой воды в качестве побочного продукта. В последующем были разработаны более эффективные методы её производства, однако побочное получение побочной воды на крупных электролизных установках в ряде случаев целесообразно.

1. Общие сведения о процессе электролиза воды

Как известно, при прохождении электрического тока через растворы электролитов на электродах происходит разряд ионов и протекают связанные с этим химические реакции. Протекания процесса электролиза определяется переносом электрического тока в жидкости и условиями разряда присутствующих в растворе ионов электролита.

Процесс электролиза воды с получением водорода и кислорода описывается следующим суммарным уравнением:

Чистую воду нельзя непосредственно подвергать электролизу, так как её электропроводность очень мала. Удельная электропроводность водопроводной воды близка к * очень чистой дистиллированной воды около 4*. Поэтому при электролизе применяют водные растворы электролитов — кислот, щелочей, солей.

Изменяя состав, концентрацию и температуру электролита и подбирая условия, определяющие величину перенапряжения, можно изменять протекания электродных процессов в желательном направлении.

В промышленных процессах электролиза воды в настоящее время применяются только щелочные электролиты — едкое кали и едкий нарт. Если в качестве электролитов используются технический щелочи, в их растворах присутствуют примеси ионов и т.д. Возможно также присутствие в электролите небольших количеств железа и других загрязнений.

При длительной эксплуатации установок электролиза воды в растворе электролита накапливаются посторонние ионы, вносимые с примесями, содержащиеся в питательной воде. Если какая-либо примесь, например ионы , постоянно поступает в раствор электролита, то при достаточной продолжительности процесса электролиза достигается предельная концентрация этой примеси, которая определяется из равенства её прихода и расхода в электролизере за единицу времени.

При питании электролизера дистиллированной водой содержание простых ионов в электролите обычно очень невелико и в сумме не превышает 1 — 5 г/л, исключая карбонаты, содержание которых в 1 л раствора электролита может достигать десятков граммов. В электролизерах с открытым зеркалом электролита, соприкасающимися с воздухом, концентрация карбонатов может быть ещё больше. Для электролизеров некоторых конструкций электролит приготавливают в герметичных баках с азотной подушкой, что предотвращает загрязнение его карбонатами.

При электролизе воды на катоде выделяется водород, аноде — кислород. В зависимости от условий ведения катодного процесса возможны два механизма его протекания. В кислых растворах с высоким содержанием ионов водорода его выделение происходит за счет разряда ионов с образованием атомарного водорода, который адсорбируется на поверхности катода, что может быть описано выражением:

Поскольку ион водорода в растворе гидратирован, стадию его разряда можно представить в виде:

Следующая стадия катодного процесса — рекомбинация атомарного водорода в молекулярный протекающая по каталитическому механизму.

В определенных условиях обе стадии катодного процесса — разряд ионов и выделение молекулярного водорода — могут протекать одновременно.

Если в растворе присутствуют другие катионы, имеющие более положительный потенциал выделения по сравнению с водородом, они выделяются на катоде, образуя осадок. Это наблюдается, например, при наличии в электролите примесей соединений свинца, олова, цинка, железа, хрома, молибдена и некоторых других металлов. В случае образования на катоде такого осадка могут изменятся потенциал выделения водорода и условия протекания катодного процесса. В промышленных условиях электролит практически всегда содержит небольшое количество ионов железа из — за постоянной коррозии стальных деталей электролизеров. Поэтому на катодной поверхности обычно образуется осадок в виде металлической (железной) губки.

Выделение на аноде кислорода при электролизе воды происходит в результате разряда гидроксильных ионов или молекул воды. Присутствующие в электролите небольшие количества и других ионов, а также ионы при достаточно высокой концентрации щелочи в растворе (200 — 300 г./л и более) не могут разряжаться, так как для этого в данных условиях необходим более высокий потенциал, чем для разряда ионов или молекул воды. В щелочных растворах при умеренных плотностях тока подвод ионов гидроксила к аноду не является лимитирующим процессом и они разряжаются на аноде по реакции:

В кислых растворах при любых плотностях тока и в щелочных растворах при высоких плотностях тока подвод ионов является лимитирующей стадией и для разряда их предложен второй механизм:

При электролизе в переносе тока принимают участие все находящиеся в электролите ионы. Доля их участия определяется относительной концентрацией и подвижностью ионов. В щелочных электролитах вследствие очень низкой концентрации ионов водорода перенос тока осуществляется почти исключительно ионами .

На катоде разряжаются практически только молекулы воды, на аноде — ионы . При этом на каждую молекулу выделявшегося на катоде водорода распадается две молекулы воды с образованием двух молекул . Ионы и , участвующие в переносе тока к катоду, так же как , и другие анионы, участвующие в переносе тока к аноду, на электродах не разряжаются.

В связи с тем, что в процессе электролиза воды на обоих электродах выделяются газы, прилегающий к электроду слой электролита интенсивно перемешивается. Поэтому на поверхности анода маловероятно образование локальных зон с сильно пониженной концентрацией КОН и соответственно с повышенной концентрацией ионов и др. Однако в глубине узких щелей между электродом и прилегающими к нему деталями или под шламом у поверхности электрода возможно значительное изменение концентрации ионов по ранее рассмотренным причинам. Такие концентрационные изменения, по-видимому, вызывают местную интенсивную электрохимическую коррозию некоторых деталей электролизеров.

Как и в других электрохимических процессах, затраты электрической энергии при электролизе воды велики и часто определяют экономику этого процесса. Поэтому вопросам расхода энергии на электролиз и снижению величины напряжения на электролитической ячейки всегда уделяется большое внимание.

. Электрохимические ячейки

Электрохимическая ячейка обычно состоит из двух полуэлементов, каждый из которых представляет собой электрод, погруженный в свой электролит. Электроды изготавливают из электропроводящего материала (металла или углерода), реже из полупроводника. Носителями заряда в электродах являются электроны, а в электролите — ионы. Являющийся электролитом водный раствор поваренной соли (хлорида натрия NaCl) содержит заряженные частицы: катионы натрия Na+ и анионы хлора Cl- Если поместить такой раствор в электрическое поле, то ионы Na+ будут двигаться к отрицательному полюсу, ионы Cl- — к положительному. Расплавы солей, например NaCl, тоже электролиты. Электролитами могут быть и твердые вещества, например b-глинозем (полиалюминат натрия), содержащий подвижные ионы натрия, или ионообменные полимеры.

Полуэлементы разделяются перегородкой, которая не мешает движению ионов, но предотвращает перемешивание электролитов. Роль такой перегородки может выполнять солевой мостик, трубка с водным раствором, закрытая с обоих концов стекловатой, ионообменная мембрана, пластина из пористого стекла. Оба электрода электролитической ячейки могут быть погружены в один электролит.

Электрохимические ячейки бывают двух типов: гальванические элементы и электролитические ячейки (электролизеры).

В электролитической ячейке протекают те же реакции, что и в промышленных электролизерах для получения хлора и щелочи: превращение рассола (концентрированного водного раствора хлорида натрия) в хлор и гидроксид натрия NaOH:

электролиз окисление ион

Хлорид-ионы на графитовом электроде окисляются до газообразного хлора, а вода на железном электроде восстанавливается до водорода и гидроксид-иона. Электролиты остаются электронейтральными благодаря перемещению ионов натрия через перегородку — ионообменную мембрану. Электрод, на котором осуществляется окисление, называется анодом, а электрод, на котором происходит восстановление, — катодом.

Список литературы

1. О.Д. Хвольсон, Курс физики, РСФСР, Госиздат, Берлин, 1923, т. 4.

А.И. Левин, Теоретические основы электрохимии, Гос. Научно-техн. Издат., Москва, 1963.

А.П. Соколов, ЖРФХО, т. 28, с. 129, 1896.

Физ. Энцикл. Слов., изд. «Советская Энциклопедия», Москва, 1960, т. 1, с. 288.

Л.М. Якименко и др., Электролиз воды, изд. «химия», Москва, 1970.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород — и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде — водород — и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном — перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли — хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор — и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия — и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия — 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») — к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси (Са + + О → СаО), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 .

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.

Электролиз воды : Химия — Страница 14

Vento777: А Вы можете нам поведать условия Вашего опыта,который опровергает закон сохранения энергии? Нам было бы любопытно его повторить, чтобы тоже удостовериться в глупости упорствующих законосохраненцев…

Где Вы увидели опровержение закона сохранения?
При опытах с щелочью будьте предельно осторожны ,берегите глаза. При попадании капли в глаз ,если сразу не промыть большим количеством воды,то на пятый день можете ослепнуть!!!

Я не представитель науки, труды писать не буду. Почему заинтересовался получением водорода ?
Жена увлекается лемпворком, однако температуры горения горелки на природном газе не хватает для плавки выше 1200 по Цельсию. Собрал для нее сварочный (почти как в ТМ),однако тяжеленный вышел и заправлять дист.водой не очень удобно.Да и щелочи там с килограмм (на 5 литров),что особенно опасно если бахнет. В нете попалась ссылка по Мейеру. Не могу сказать,что поверил,однако все же решил (просто ради интереса) проверить воду на резонанс. Никакого резонанса в воде не обнаружил вплоть до частот
500 кГц (для более высоких у меня нет подходящих полупроводников) . Какие только импульсы не подавал, но все бесполезно. Резонанс конечно получал ,в контуре , даже автогенератор на «водяном конденсаторе» смог возбудить. Слава Богу,я переходные процессы от «удивительного» не только отличать умею. Вообщем резонанса в воде точно нет до 500 кГц. За время опытов ,кое какая интересная для меня (но общеизвестная ) все же появилась.
Когда подключил импульсный источник тока (не напряжения!). Вкратце ,хоть я и подавал почти прямоугольные импульсы одной полярности, но любой импульс можно представить в виде множества синусоидальных плюс постоянная составляющая. Так вот, постоянная составляющая на электродах лежала в пределах 1,5-2 Вольт (по показаниям моего осцилла), хотя должна была изменяться в намного больших пределах при изменении скважности .Зависимость от частоты вроде нет (изменения после 100кГц есть,но они скорее всего обусловлены частотными свойствами применяемых полупроводников). Плясал от нескольких килогерц (мотать на герцы накопительный дроссель было лень.Эквивалентная схема электролизера -конденсатор и в параллель нелинейное активное сопротивление (и еще конечно паразитная индуктивность). Нелинейность сопротивления в районе 1.5-2 Вольт меня очень заинтересовала,почему начал поиски информации в нете . Вот тут и начал вспоминать все то,что интересовало лет 20 назад .
Хотел я было уже собирать обыкновенный электролизер но без щелочи, просто дополнительно разбивать воду на ионы короткими высоковольтными импульсами для увеличения проводимости. Даже схемку набросал с последовательным контуром и резонансом (есть правда существенное отличие от Мейерской резонансной ),как отыскал в нете вот такую информацию.
http://ieasm.webart.md/data/m71_2_22.doc
Побаловался с различного рода формой электродов в растворе щелочи (в растворе серной не смог,моя нержавейка хоть и слабо ,но реагирует).Можете сами попробовать,очень простой опыт. Сделайте регулируемый источник напряжения в пределах 0,5-3 Вольт,различного размера электроды из нержавейки.я пробовал разного размера,но предлагаю 1к 10 минимум,чтобы заметить эффект.И чем больше будет анод ,тем лучше .Я вообще сделал анодом ваночку из нержавейки,куда и заливал раствор щелочи.Катод должен быть небольшой (можете чайную ложку взять из нержавейки).Подключайте сей девайс и увеличивайте напряжение с 0.5 и до тех пор,пока не начнется выделение водорода на катоде .Дальше не увеличивайте,пойдет кислород . Напряжение будет зависеть от многих причин ,в частности от расстояния между анодом (ваночкой) и катодом.Но это не суть важно,главное принцип. После первого включения и настройки напряжения ,слейте электролит в банку,обмойте под струёй воды ваночку (анод).Затем опять подготовьте электролизер в рабочее положение,но ручку регулятора напряжения с БП оставьте на том же месте ,которого достигли при первом включении.
Теперь ,при повторном включении, обратите внимание на то,что на катоде в течении определенного времени (зависит от размера ваночки электролизера-анода) будет выделятся водород. Вначале бурно,и по убывающей до нуля.
Если выключите БП, а затем включите,то такого выделения водорода уже не будет. Вот почему так происходит ,и как из этого получить водород(без кислорода) ,затрачивая энергии меньше,чем этот водород выделит при горении с кислородом (!!!) предлагаю самим подумать. А свои соображения я выскажу ,если конечно будет кому-либо интересно.

Прямые энергозатраты на электролиз воды

ПРЯМЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ Ф. М. Канарёв kanpyil@mail.ru Анонс. Со времён Фарадея, открывшего закон электролиза воды, физики и химики не смогли установить прямые энергозатраты на электролиз воды и только физхимия микромира, родившаяся в начале этого века, позволила решить эту задачу. Неисчислимое количество учёных и практиков включились в решение проблем водородной энергетики. Результаты их исследований показывают, что лучшие электролизёры расходуют на получение кубического метра чистого водорода из воды около 4-х кВтч электроэнергии или около 3-х кВтч на кубический метр смеси водорода и кислорода. Действующие промышленные установки расходуют на этот процесс в 1,5-2,0 раза больше. Энергия же, получаемая при сжигании одного кубического метра только водорода, составляет около 3,5 кВтч. Тем не менее, смесь водорода и кислорода, получаемая из воды, широко используется в газосварочных аппаратах, а на Тайване уже выпускаются бытовые газовые плиты, в которых природный газ заменён кислородно-водородной смесью. Пока затраты на получение этой смеси превышают стоимость природного газа, но это не останавливает исследователей и они настойчиво ищут пути снижения этих затрат. Конечно, если бы исследователи знали прямые затраты энергии на электролиз воды, то они уже давно бы достигли намеченной цели. Как же измерить прямые затраты энергии на электролиз воды? Поиск ответа на этот вопрос начнём с анализа осциллограммы (рис. 1). Из неё следует, что все электролизёры, заряжаясь в начале работы, приобретают постоянный потенциал , свойственный конденсатору или аккумулятору. Величина этого потенциала увеличивается с увеличением количества ячеек в электролизёре. Рис. 1. Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) на клеммах электролизёра На рис. 1 хорошо видно, что импульсы напряжения 1 восстанавливают средний потенциал электролизера, который уменьшается при отсутствии импульса, а импульс тока 2 почти не изменяет его среднюю величину . Из этого следует, что процесс электролиза воды при отсутствии импульса напряжения не прекращается. Это значит, что нет нужды подавать напряжение в электролизёр непрерывно, так как он имеет свой потенциал , для поддержания заданной величины которого достаточна периодическая подзарядка электролизёра. Чему же будет равна мощность на клеммах электролизёра при импульсном её потреблении? Современные учебники и научная литература по импульсной технике рекомендуют определять средние величины напряжения и тока путём деления их амплитудных значений и на скважность импульсов . Из осциллограммы (рис. 1) следует: ; (1) . (2) Из этого следует также вполне логичный вывод о том, что мощность на клеммах электролизёра надо рассчитывать по формуле . (3) Однако этот результат противоречит показаниям приборов на клеммах аккумулятора или счётчика электроэнергии. Там регистрируется величина мощности, определяемая по формуле . (4) Удивительным является то, что с этим (3, 4) противоречием мирились со времён Фарадея и никто не искал его причины. А ведь только при раскрытии причин противоречий выявляются новые научные представления. Попытаемся раскрыть причину этого противоречия. Для этого изготовим автономный источник питания, который не был бы связан ни с аккумулятором, ни с общей электрической сетью. Главное требование к такому источнику – одинаковость импульсов напряжения и тока на его клеммах и на клеммах электролизёра. Роль такого источника может выполнить электромеханический генератор электрических импульсов (рис. 2). Он приводится во вращение электродвигателем, включённым в электрическую сеть. Вполне естественно, что электрические цепи электродвигателя и электромеханического генератора электрических импульсов изолированы друг от друга. В этом случае можно проследить за изменением баланса мощности на клеммах электродвигателя, электромеханического генератора электрических импульсов и электролизёра и проверить какая из формул (3) или (4) отражает реальность. На рис. 3. представлена осциллограмма напряжения и тока, снятая с клемм электромеханического генератора электрических импульсов (рис. 2) и электролизёра. Поскольку между их клеммами лишь провода, то осциллограмма напряжения и тока у них едина. Обработка этой осциллограммы показала, что скважность импульсов напряжения равна, примерно, , а тока — . Средние величины напряжения и тока определяются делением их амплитудных значений , на скважность импульсов (1), (2). Осциллограмма даёт нам такие значения: , . С учётом этого средняя мощность равна . (5) Если её вычислять, не учитывая скважность импульсов напряжения, как это делалось до сих пор, то расчёт надо вести по формуле (4) и результат будет такой . (6) Особо отметим, что на клеммах электролизёра присутствует постоянный потенциал (рис. 1), а первичный источник энергии, в данном случае электромеханический генератор электрических импульсов (рис. 2), не генерирует его. Он генерирует импульсы напряжения, поэтому электрическую мощность на его клеммах определяют формулы 3 и 5. Рис. 2. Электромеханический генератор электрических импульсов Рис. 3. Осциллограмма напряжения (1) и тока (2) на клеммах электромеханического генератора электрических импульсов и электролизёра Разность мощности между рабочим и холостым ходом, зафиксированная счётчиком электроэнергии на клеммах электродвигателя, равна 42 Ватта. Эта величина — в промежутке между результатами расчётов по формулам (3) и (4). Что надо учесть ещё, чтобы приблизить теоретические значения (5) и (6) к экспериментальной величине 42 Ватта? Обмотка и корпус генератора нагреваются, а осциллограмма (рис. 3) не учитывает расход энергии на этот процесс. Масса генератора 1600 г. Средняя разность температуры генератора, между рабочим и холостым ходами с учётом охлаждения поверхности вращающегося ротора, составила 13 град. Генератор изготовлен из стали, его удельная теплоёмкость равна 0,50 Дж/грамм. град. Опыт длился 560 сек. За это время затраты энергии на нагрев статора и ротора электромеханического генератора электрических импульсов составили 0,5х1600х13=10400 Дж или 10400/560=18,57 Ватт. Это значит, что к величинам мощности (5) и (6), рассчитанным по формулам (3) и (4), надо прибавить по 18,57 Ватт. В результате будем иметь 37,20 Ватта и 76,44 Ватта соответственно. Уточнение температуры нагрева всех частей генератора усиливает связь математической модели (3) для расчёта импульсной мощности с реальностью (42 Ватта) и удаляет математическую модель (4) от этой реальности (42 Ватта). Таким образом, прямые удельные затраты мощности на электролиз воды составляют 18,63 Ватта. Потери энергии на нагрев генератора (42,00-18,63=23,37 Ватта) больше прямых затрат. За час работы было получено 11,10 литра газовой смеси. Прямые удельные затраты энергии на её получение составили 18,63Втч/11,10=1,68 Втч/литр. Если взять затраты энергии на получение смеси газов из воды лучшими современными электролизёрами за 100%, то КПД процесса электролиза воды этими электролизёрами будет около 56,60%. Это свидетельствует о том, что почти все резервы уменьшения затрат энергии на традиционный процесс электролиза воды и на традиционный способ питания электролизёров уже почти исчерпаны и нужно искать другие решения этих проблем. Они однозначно следуют из осциллограммы (рис. 3), но мы не будем детализировать их, а приведём результаты экспериментов по низкоамперному электролизу воды. Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. В соответствии с законом Фарадея, затраты энергии на получение одного кубического метра водорода в этом случае составляют около 4 кВтч/. Между тем в Природе существует более экономный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Протекает он при фотосинтезе. При этом атомы водорода отделяются от молекул воды и используются в качестве соединительных звеньев при формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу. Возникает вопрос: а нельзя ли смоделировать электролитический процесс разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе? Поиск условий моделирования процесса разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе, привел к простой конструкции ячейки (рис. 4). Оказалось, что процесс электролиза может протекать при среднем токе 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Прежде всего, отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник питания генерирует импульсы напряжения, то выход газов увеличивается. Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение нескольких часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах (рис. 4 и 5). Спустя час после отключения электролизёра от сети напряжение на его электродах уменьшается до одного вольта, а постоянная составляющая тока почти не изменяется. Рис. 4. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817) Рис. 5. Напряжение и ток на клеммах включённого в сеть электролизёра (рис. 4) Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра генерирует небольшое количество газов, то самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчета выделившегося водорода и кислорода. Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16 граммам. Грамм-молекула воды равна 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода. Один литр водорода весит 0,0846 гр., а один литр кислорода -1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,0846=1313,36 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода. Из этого также следует, что один грамм воды содержит 1,31 литра водорода и 0,60 литра кислорода. Затраты электроэнергии на получение 1000 литров водорода сейчас составляют 4 кВтч, а на один литр – 4 Втч. Поскольку из одного грамма воды можно получить 1,31 литра водорода, то на получение водорода из одного грамма воды сейчас расходуется 1,31х4=5,25 Втч. В табл. 1 представлены результаты эксперимента при питании электролизера импульсами напряжения и тока (рис. 5) с периодическим включением его в электрическую сеть на 10 минут. Остальные 50 минут каждого часа электролизёр работал при отключенной электрической сети, а процесс выхода газов продолжался. Таблица 1. Показатели электролиза воды низкоамперным электролизёром (рис. 4) Показатели Сумма 1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах , мин 6×10=60,0 2 – показания вольтметра V, Вольт 11,4 2’ – показания осциллографа V’, Вольт (формула 1) 0,40 3 – показания амперметра I, Ампер; 0,02 3’ – показания осциллографа, I’, Ампер (формула 2) 0,02 4 – расход энергии (P=VxIxτ/60), Втч (формула 4) 0,228 4’ – прямой расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч (формула 3) 0,008 5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин 6×50=300,0 6 – изменение массы раствора m, грамм 0,60 7 – масса испарившейся воды m’, грамм 0,06 8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г. 0,54 9 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям вольтметра и амперметра E=P/m’’, Втч/г. воды (формула 4) 0,42 9’ – прямой расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г. воды (формула 3) 0,02 10 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E’’, Втч/г. воды 5,25 11 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям вольтметра и амперметра K=E’’/P, раз 23 11’ – уменьшение прямого расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз 656 12 – прямой расход энергии на куб водорода (0,02х1000)/1,31=0,015 кВтч. 0,015 13 – ожидаемый расход энергии на куб водорода с учётом КПД источника питания, кВтч 0,150 Таким образом, есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр обладает свойствами конденсатора или аккумулятора. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза — стабильным. Наличие постоянной составляющей электрического потенциала на входе в электролизёр показывает, что для расчета затрат энергии на процесс электролиза надо использовать не показания вольтметра, а показания осциллографа, регистрирующие полный импульсный потенциал подзарядки электролизёра, следующий из осциллограммы, представленной на рис. 5. Вполне естественно, что указанный эффект реализуется лишь при использовании электромеханического источника питания. Таким образом, вольтметр показывает величину напряжения заряженного электролизёра, как конденсатора, который постепенно разряжается, а полные импульсы напряжения, фиксируемые осциллографом – величину его подзарядки, которая и характеризует прямую энергию на электролиз воды. Затраты энергии на получение водорода из воды при низкоамперном электролизе значительно уменьшаются, если в качестве источника энергии использовать электромеханический генератор электрических импульсов. Обоснование параметров такого генератора – непростая задача. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Главные цели, проведённых экспериментов, – проверка новой теории процесса электролиза воды и достоверности закона формирования мощности в электрической цепи, достигнуты. Следующий этап – коммерциализация полученных результатов. Но его реализация – уже не наша забота и мы не будем заниматься этим. Мы только отметим, что новый способ питания электролизёров уже открывает возможность замены природного газа кислородно-водородной смесью, получаемой из воды. Дело это будет не быстрое, так как процессы горения природного газа и кислородно-водородной смеси, без взрыва, значительно отличаются. ЛИТЕРАТУРА Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. 2010. 1050 с.  http://kubsau.ru/science/prof.php?kanarev  Канарёв Ф.М. Видеофильм о лабораторных экспериментах по электролизу воды.  http://kubsau.ru/science/prof.php?kanarev  Папка «Видеофильм».

Новая энергетика (2004 No.04) — Стр 6

На Рис. 13 показана осциллограмма напряжения при частоте импульсов около 200Гц. Масштаб записи один к одному. Импульсы не видны, так как их амплитуда ничтожно мала. Измерения показывают, что на осциллограмме зафиксировано напряжение около 13,5 Вольт. Вольтметр показывал в это время 11,4 Вольта.

На Рис. 14. показана осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 1 секунду после отключения его от сети. Как видно, низкоамперный электролизер имеет постоянную составляющую электрического потенциала. Это исключительно важный факт, объясняющий причину выделения газов в течении длительного времени после отключения электролизёра от сети. На Рис. 15 показана осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 3 секунды после отключения его от сети. Осциллограммы на Рис. 14 и 15 показывают, что после отключения электролизёра от сети идет процесс его разрядки. Отметим особо, что напряжение, постепенно уменьшаясь, не становится равным нулю. Это указывает на то, что электролизёр является не только конденсатором, но и источником электрической энергии.

Как видно, в начальный момент после отключения электролизёра от сети (Рис. 14) у него остаётся потенциал близкий к потенциалу сети, который образовался при зарядке электролизёра в процессе включения его в сеть и настройки на заданный режим работы. Особо подчеркнём, что ток в процессе зарядки был в несколько раз больше его рабочей величины 0,02А.

Через 3 секунды после отключения сети (Рис.15) потенциал на входе в электролизёр уменьшается с 11,4 В до 8 В. На осциллограмме (Рис. 13) не видны импульсы напряжения потому, что их амплитуда ничтожно мала. Если увеличить масштаб, то импульсы выглядят так (Рис. 16 и Рис.17).

Рис. 16. Напряжение

Рис. 17. Напряжение

Результаты обработки осциллограмм напряжения (Рис. 16 и 17).

Учитывая масштабный коэффициент, равный 10, найдём среднее значение амплитуды импульсов напряжения Uср=[(0,20+0,24+0,12+0,10+0,30+0,18+0,16+0,12+0,30+ 0,24+0,30)/11] x10=2,05 В.

Период импульсов Т=(24х2)/10=4,8 мс.

Длительность импульсов =(2х1,45)/10=0,29мс.

Частота импульсов =(1/0,001×4,8)=208,3 Гц.

Скважность импульсов =4,8/0,29=16,55.

Коэффициент заполнения =0,5/16,55=0,0302

Эквивалентная средняя составляющая импульсов напряжения, рассчитанная по по% казаниям осциллографа U=2,05х0,0302=0,062 В. Вольтметр в это время показывал 11,4 В.

Таким образом, есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр обладает свойствами конденсатора и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза будет стабильным.

Величина потенциала необходимого для компенсации разрядки электролизёра за% фиксирована на осциллограммах 16 и 17. Эту величину и надо использовать при расчете затрат энергии на получение водорода из воды при её низкоамперном электролизе.

Электролиз воды: что нам о нем известно. Получение водорода электролизом воды

Электролиз воды – это хорошо известный для всех кто дружит с техникой процесс электролиза, у которого в качестве электролита используется вода.

Впрочем, необходимо отметить, что вода при электролизе присутствует всегда. Вначале рассмотрим, что же представляет из себя процесс электролиза в общем.

Электролиз

Электролиз – это электрохимический процесс, который осуществляется через размещение в электролите двух электродов и подключении к ним постоянного тока.

Электролитами называются жидкие проводники, которые относятся к проводникам второго типа. Под жидкими проводниками понимаются жидкости / растворы обладающие электропроводностью.

Для справки добавим, что сосуды, в которые наливаются электролиты, называются гальваническими ваннами.

В ходе процесса электролиза, ионы под воздействием электромагнитного поля, образуемого в электролите постоянным электрическим током, начинают движение к электродам. Ионы с положительным зарядом, в соответствии с законами физики, двигаются к электроду с отрицательным зарядом, который называется КАТОДОМ, а отрицательно заряженные ионы соответственно перемещаются к другому электроду, называемому АНОДОМ. Электролиз сопровождается выделением на электродах веществ, что указывает на движение в электролитах атомов. Например, как правило, металлы и водород выделяются на КАТОДЕ.

На прохождение процесса электролиза влияет несколько факторов:

• сила тока, подключаемого к электродам;
• потенциал ионов;
• состав электролита;
• материал, из которого изготовлены электроды — КАТОД и АНОД.

Электролиз воды

Как мы уже отмечали выше, электролиз воды подразумевает использование в качестве электролита воды.

Как правило, при электролизе воды, для лучшего прохождения процесса, в воду добавляют немного какого либо вещества, например пищевой соды, но не обязательно, поскольку обычная вода практически всегда уже содержит примеси.

В результате электролиза воды выделяются водород и кислород. Кислород будет выделяться на АНОДЕ, а водород на КАТОДЕ.

Применение электролиза воды

Технология электролиза воды применяется:

• в системах очистки воды от всевозможных примесей;
• для получения водорода. Водород же, например, используют в весьма перспективной отрасли — водородной энергетике. Про это мы более детально уже писали в нашем материале .

Как мы видим, электролиз воды, несмотря на кажущуюся свою простоту, применяется в весьма важных областях — в областях от которых зависит развитие и процветание всей нашей цивилизации.

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород — и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде — водород — и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном — перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли — хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор — и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия — и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия — 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») — к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси (Са + + О → СаО), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 .

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 210) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Рис. 210. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода – 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты – в табл. 46.

Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом — выключен (табл. 56).

Прежде всего,отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Таблица 56. Показатели электролиза воды

Показатели	Сумма
1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах t, мин	6×10=60,0
2 – показания вольтметра V, Вольт	11,40
2’ – показания осциллографа V’, Вольт	0,40
3 – показания амперметра I, Ампер	0,020
3’ – показания осциллографа, I’, Ампер	0,01978
4 – реальный расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч	0,0081
5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин	6×50=300,0
6 – изменение массы раствора m, грамм	0,60
7 – масса испарившейся воды m’, грамм	0,06
8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г.	0,54
9- количество выделившегося водорода ΔМ=0,54×1,23×0,09=0,06, грамм	0,06
10 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г;	0,015
11 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E’’, Втч/гр. воды	5,25
12 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз;	648,15
13 — энергосодержание полученного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч	2,36
14 — энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wх100/P’), %;	1035,80
14’ – энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wx100/P»)%	190322,6

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 48 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.

Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 210) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным.

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 209).

Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 210) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 210). Если финансирование будет продолжено, то новый коммерческий образец импульсного электромотора-генератора (рис. 169 и 172) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 211, а).

Рис. 211: a) катодно-анодная электролизная трубка; b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород — и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде — водород — и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном — перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли — хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор — и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия — и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия — 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») — к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси (Са + + О → СаО), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 .

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.

Получите гремучую смесь и потушите ей свечу!

Сложность:

Опасность:

Сделайте этот эксперимент дома

Реагенты

Безопасность

• Перед началом опыта наденьте защитные перчатки и очки.
• Проводите эксперимент на подносе.
• При проведении опыта держите поблизости емкость с водой.

Общие правила безопасности

• Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
• Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
• Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 12 лет.
• Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
• Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
• Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
• Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
• Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.

Информация о первой помощи

• В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
• В случае проглатывания промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
• В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
• В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
• В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
• В случае травм всегда обращайтесь к врачу.

• Неправильное использование химических реагентов может вызвать травму и нанести вред здоровью. Проводите только указанные в инструкции эксперименты.
• Данный набор опытов предназначен только для детей 12 лет и старше.
• Способности детей существенно различаются даже внутри возрастной группы. Поэтому родители, проводящие эксперименты вместе с детьми, должны по своему усмотрению решить, какие опыты подходят для их детей и будут безопасны для них.
• Родители должны обсудить правила безопасности с ребенком или детьми перед началом проведения экспериментов. Особое внимание следует уделить безопасному обращению с кислотами, щелочами и горючими жидкостями.
• Перед началом экспериментов очистите место проведения опытов от предметов, которые могут вам помешать. Следует избегать хранения пищевых продуктов рядом с местом проведения опытов. Место проведения опытов должно хорошо вентилироваться и находиться близко к водопроводному крану или другому источнику воды. Для проведения экспериментов потребуется устойчивый стол.
• Вещества в одноразовой упаковке должны быть использованы полностью или утилизированы после проведения одного эксперимента, т.е. после открытия упаковки.

Часто задаваемые вопросы

Сколько раз можно сделать «БАХ»?

Много раз! Просто набирайте в бутылочку гремучую смесь и тушите ей свечу.

Свеча не погасла. Что делать?

Вы можете многократно повторять шаги 3 и 4. Попробуйте снова! Дайте реакции электролиза идти подольше, чтобы скопилось побольше газа. Еще можно попробовать изменить угол направления бутылочки на свечу.

Штекер позеленел. Почему?

Металлические части штекера содержат медь. При окислении медь может становиться зеленой.

Пипетка протекает! Что делать?

Сперва отсоедините держатель батареек от электролизёра. Затем осторожно выньте штекер из пипетки. Чтобы устранить протечку, оберните штекер липкой лентой или даже кусочком защитной перчатки. Снова вставьте штекер в пипетку. Если протечка устранена, продолжайте опыт.

Другие эксперименты

Пошаговая инструкция

Соберем установку для электролиза воды (электролизёр).

Теперь заправим электролизёр водным раствором гидроксида натрия NaOH.

Установим емкость для сбора гремучей смеси и запустим процесс.

Теперь попробуем при помощи реакции кислорода и водорода затушить свечу.

Чтобы повторить опыт, подключите электролизёр к батарейкам и повторите шаги 3 и 4.

Ожидаемый результат

В ходе электролиза вода разлагается на два газа: кислород O 2 и водород H 2 . Водорода образуется в два раза больше, чем воды: H 2 O → O 2 + 2H 2 Такую смесь газов называют гремучей . Если баночку со смесью поднести к пламени свечи, смесь мгновенно разгорится и при этом потушит свечу.

Утилизация

Твердые отходы эксперимента утилизируйте вместе с бытовым мусором. Растворы слейте в раковину и затем тщательно промойте ее водой.

Что произошло

Почему содержимое баночки загорается?

Химическая формула молекулы воды выглядит как H 2 O. Это означает, что она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Баночка как раз наполнена смесью из газообразного водорода и кислорода в отношении 2 к 1, полученной электролизом воды.

Когда эта смесь воспламеняется, тут же запускается реакция образования воды, которая сопровождается характерным хлопком.

Узнать больше

Реакция образования воды выглядит довольно просто:

2H 2 + O 2 → H 2 O

Однако всё не так уж и просто. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой кислород является окислителем (забирает электроны водорода), а водород — восстановителем (отдает свои электроны кислороду):

O 2 o + 4e — → 2O 2-

H 2 o — 2e — → 2H +

Реакция протекает весьма интенсивно, особенно когда кислород смешивается с водородом в соотношении 1:2, как это было в нашем эксперименте. Это связано с тем, что водяной пар, который мы получили, содержит один атом кислорода и два атома водорода, то есть соотношение как раз равно 1:2.

Как кислород и водород оказались в баночке?

Эти газы появились там благодаря электролизу — процессу, в котором вода под действием электричества разлагается на кислород и водород. В ходе электролиза кислород и водород переходят в газообразную форму в соотношении 1:2. Образуется гремучая смесь, которая и гасит свечу.

Как протекает электролиз?

Для этого процесса нужна щелочная среда, поэтому мы добавляем гидроксид натрия NaOH. Теперь вода может расщепляться на ионы в жидком состоянии:

H 2 O → H + + OH —

Щелочная среда повышает концентрацию гидроксид-ионов OH — . Электролизёр (устройство для электролиза воды) имеет положительно заряженный анод, который притягивает анионы, и отрицательно заряженный катион, который привлекает катионы. Таким образом, катионы H + мигрируют к катоду, а анионы OH — — к аноду. Тогда ионы H + берут электроны с катода и превращаются в водород H 2 , а гидроксидные ионы OH — отдают свои электроны аноду и превращаются в кислород O 2 .

В нашем эксперименте электролизёром выступает штекер RCA, в котором металлическое кольцо служит катодом, а штифт — анодом. Однако полюса можно менять, соединяя провода вилки и держателя батареи наоборот — это не повлияет на эксперимент.

Что такое штекер RCA?

Штекер RCA когда-то широко использовался для аудио- и видеосистем. Он может подключить, например, видеопроигрыватель к телевизору. Он по-прежнему используется для некоторого визуального оборудования, но уже не так массово. Он состоит из двух металлических частей, внешнего кольца, штифта и пластмассового изолирующего кольца между ними. Отдельные провода подключаются к каждой металлической части: короткие провода -к металлическому кольцу, а длинные — к штифту.

Водород и кислород: ракетное топливо

Если поджечь смесь газов О 2 и Н 2 , мы услышим громкий хлопок — так протекает экзотермическая реакция, в ходе которой высвобождается много тепловой энергии. Необязательно использовать чистый кислород из баллона — с водородом, хоть и не так бурно, реагирует и кислород из воздуха.

Смесь водорода и кислорода в соотношении 2:1 (как в молекуле воды — продукте их реакции) благодаря «взрывным» свойствам назвали гремучей . Однако без искры или огня реакция не произойдет. Представьте, сколько энергии может выделиться, если взять те же газы, только сжиженными и в большом количестве!

Реакцию горения водорода используют при запуске ракеты и выведения ее на орбиту. Иными словами, водород и кислород — это жидкое ракетное топливо. Энергии горения достаточно, чтобы оторвать от земли ракету весом в несколько тысяч тонн! Водород выполняет роль горючего, а кислород — окислителя. Вода (продукт этой реакции) тут же превращается в пар. На таком топливе летали все шаттлы, в том числе Space shuttle, и некоторые модели американской ракеты Delta. В 2019 году планируется впервые использовать водородное топливо для запуска ракеты Space Launch System, ранее побившей рекорд грузоподъемности на другой горючей смеси.

Пара «Водород+кислород» — самое перспективное жидкое ракетное топливо. Оно намного экологичнее и дешевле, чем керосин, а также эффективнее твердого топлива. Однако и у него есть недостатки. Транспортировка сжиженных газов достаточно сложна и опасна. Жидкие водород и кислород криогенны, то есть обладают очень низкой температурой (температура кипения жидкого водорода и кислорода примерно -253 o C и -183 o C соответственно). Ракетные баки должны иметь хорошую теплоизоляцию, чтобы из них не испарялся водород, ведь если он вступит в реакцию с кислородом воздуха, может произойти взрыв и ракета сгорит еще до старта.

История дирижабля «Гинденбург»

В 1937 году утечка водорода на дирижабле Гинденбург спровоцировала самую масштабную трагедию в истории пассажирского воздухоплавания. При посадке дирижабль загорелся и рухнул на землю, сгорев дотла всего за 34 секунды. По основной версии следствия, был поврежден один из водородных баллонов. В итоге водород смешался с кислородом воздуха, и образовался гремучий газ. Дирижабль проходил через грозовой фронт, влажность «за бортом»и плохое заземление внутренней оболочки вызвали разность потенциалов и как следствие — искру. В результате горения водорода образовалось примерно 150 тонн воды, которая немедленно испарилась из-за высоких температур.

После этой катастрофы большинство стран отказалось от дирижаблей как от пассажирского транспорта. Со временем прекратились и разработки воздухоплавательного флота.

Строить дирижабли продолжали лишь в США. Вместо водорода их наполняли гелием. Это инертный невзрывоопасный газ,утечка которого не может стать причиной пожара. Однако вскоре самолеты окончательно заменили громоздкие и малоскоростные воздухоплавательные аппараты.

Дата официального опубликования фз о персональных данных. Защита персональных данных. За что теперь штрафуют

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 210) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Рис. 210. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода – 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты – в табл. 46.

Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом — выключен (табл. 56).

Прежде всего,отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Таблица 56. Показатели электролиза воды

Показатели	Сумма
1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах t, мин	6×10=60,0
2 – показания вольтметра V, Вольт	11,40
2’ – показания осциллографа V’, Вольт	0,40
3 – показания амперметра I, Ампер	0,020
3’ – показания осциллографа, I’, Ампер	0,01978
4 – реальный расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч	0,0081
5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин	6×50=300,0
6 – изменение массы раствора m, грамм	0,60
7 – масса испарившейся воды m’, грамм	0,06
8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г.	0,54
9- количество выделившегося водорода ΔМ=0,54×1,23×0,09=0,06, грамм	0,06
10 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г;	0,015
11 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E’’, Втч/гр. воды	5,25
12 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз;	648,15
13 — энергосодержание полученного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч	2,36
14 — энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wх100/P’), %;	1035,80
14’ – энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wx100/P»)%	190322,6

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 48 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.

Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 210) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным.

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 209).

Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 210) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 210). Если финансирование будет продолжено, то новый коммерческий образец импульсного электромотора-генератора (рис. 169 и 172) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 211, а).

Рис. 211: a) катодно-анодная электролизная трубка; b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки

Электролизер– это специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока. Данные приборы широко используются в промышленности, к примеру, для получения активных металлических компонентов из руды, очищения металлов, нанесения на изделия металлических покрытий. Для быта они используются редко, но также встречаются. В частности для домашнего использования предлагаются устройства, которые позволяют определить загрязненность воды или получить так называемую «живую» воду.

Основа работы устройства принцип электролиза, первооткрывателем которого считается известный зарубежный ученый Фарадей. Однако первый электролизер воды за 30 лет до Фарадея создал русский ученый по фамилии Петров. Он на практике доказал, что вода может обогащаться в катодном или анодном состоянии. Несмотря на эту несправедливость, его труды не пропали даром и послужили развитию технологий. На данный момент изобретены и с успехом используются многочисленные виды устройств, которые работают по принципу электролиза.

Что это

Электролизерработает благодаря внешнему источнику питания, который подает электрический ток. Упрощенно агрегат выполнен в виде корпуса, в который вмонтировано два или несколько электродов. Внутри корпуса находится электролит. При подаче электрического тока происходит разложение раствора на требуемые составляющие. Положительно заряженные ионы одного вещества направляются к отрицательно заряженному электроду и наоборот.

Основной характеристикой подобных агрегатов является производительность. То есть это количество раствора или вещества, которое установка может перерабатывать за определенный период времени. Данный параметр указывается в наименовании модели. Однако на него также могут влиять и иные показатели: сила тока, напряжение, вид электролита и так далее.

Виды и типы

По конструкции анода и расположению токопровода электролизер может быть трех видов, это агрегаты с:

1. Прессованными обожженными анодами.
2. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также боковым токопроводом.
3. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также верхним токопроводом.

Электролизер, используемый для растворов, по конструктивным особенностям можно условно разделить на:

• Сухие.
• Проточные.
• Мембранные.
• Диафрагменные.

Устройство

Конструкции агрегатов могут быть различными, но все они работают на принципе электролиза.

Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

• Электропроводящий корпус.
• Катод.
• Анод.
• Патрубки, предназначенные для ввода электролита, а также вывода веществ, полученных в ходе реакции.

Электроды выполняются герметичными. Обычно они представлены в виде цилиндров, которые сообщаются с внешней средой с помощью патрубков. Электроды изготавливаются из специальных токопроводящих материалов. На катоде осаждается металл или к нему направляют ионы отделенного газа (при расщеплении воды).

В цветной промышленности часто применяют специализированные агрегаты для электролиза. Это более сложные установки, которые имеют свои особенности. Так электролизер для выделения магния и хлора требует ванну, выполненную из стенок торцевого и продольного вида. Она обкладывается с помощью огнеупорных кирпичей и иных материалов, а также делится с помощью перегородки на отделение для электролиза и ячейку, в которой собираются конечные продукты.

Конструктивные особенности каждого вида подобного оборудования позволяют решать лишь конкретные задачи, которые связаны с обеспечением качества выделяющихся веществ, скоростью происходящей реакции, энергоемкостью установки и так далее.

Принцип действия

В электролизных устройствах электрический ток проводят лишь ионные соединения. Поэтому при опускании электродов в электролит и включении электрического тока, в нем начинает течь ионный ток. Положительные частицы в виде катионов направляются к катоду, к примеру, это водород и различные металлы. Анионы, то есть отрицательно заряженные ионы текут к аноду (кислород, хлор).

При подходе к аноду анионы лишаются своего заряда и становятся нейтральными частицами. В результате они оседают на электроде. У катода происходят похожие реакции: катионы забирают у электрода электроны, что приводит к их нейтрализации. В результате катионы оседают на электроде. К примеру, при расщеплении воды образуется водород, которые поднимается наверх в виде пузырьков. Чтобы собрать этот газ над катодом сооружаются специальные патрубки. Через них водород поступает в необходимую емкость, после чего его можно будет использовать по назначению.

Принцип действия в конструкциях разных устройств в целом схож, но в ряде случаев могут быть и свои особенности. Так в мембранных агрегатах используется твердый электролит в виде мембраны, которая имеет полимерную основу. Главная особенность подобных приборов кроется в двойном назначении мембраны. Эта прослойка может переносить протоны и ионы, в том числе разделять электроды и конечные продукты электролиза.

Диафрагменные устройства применяются в случаях, когда нельзя допустить диффузию конечных продуктов электролизного процесса. С этой целью применяют пористую диафрагму, которая выполнена из стекла, асбеста или керамики. В ряде случаев в качестве подобной диафрагмы могут применяться полимерные волокна либо стеклянная вата.

Применение

Электролизершироко применяется в различных отраслях промышленности. Но, несмотря на простую конструкцию, оно имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для:

• Добычи цветных металлов (магний, алюминий).
• Получения химических элементов (разложение воды на кислород и водород, получение хлора).
• Очистки сточных вод (обессоливание, обеззараживание, дезинфекция от ионов металлов).
• Обработки различных продуктов (деминерализация молока, посол мяса, электроактивация пищевых жидкостей, извлечение нитратов и нитритов из овощных продуктов, извлечения белка из водорослей, грибов и рыбных отходов).

В медицине установки используются в интенсивной терапии для детоксикации организма человека, то есть для создания растворов гипохлорита натрия высокой чистоты. Для этого используется устройство проточного вида с электродами из титана.

Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Но эти агрегаты в виду их недостатков используются редко: это сложность конструкции и их эксплуатации, необходимость трехфазного тока и требования периодической замены электродов из-за их растворения.

Подобные установки находят применение и в быту, к примеру, для получения «живой» воды, а также ее очистки. В будущем возможно создание миниатюрных установок, которые будут использоваться в автомобилях для безопасного получения водорода из воды. Водород станет источником энергии, а машину можно будет заправлять обычной водой.

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород — и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде — водород — и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном — перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли — хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор — и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия — и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия — 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») — к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси (Са + + О → СаО), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 .

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.

Обеззараживание воды прямым электролизом

Что такое прямой электролиз воды?

Прохождение электрического тока через обрабатываемую воду сопровождается серией электрохимических реакций, в результате которых в воде образуются новые вещества, и изменяется структура межмолекулярных взаимодействий. При прямом электролизе воды происходит синтез окислителей – кислорода, озона, перекиси водорода и др. Кроме этого в воде даже с очень низким содержанием хлоридов при прямом электролизе образуется остаточный хлор, что очень важно для пролонгированного эффекта обеззараживания воды.

Теория процесса электролиза воды

В упрощенном виде прямой электролиз воды состоит из нескольких процессов.

1) Электрохимический процесс .

В воде (H 2 O ) расположены параллельно две пластины (электроды): анод и катод. Напряжение постоянного тока, подаваемое на электроды, приводит к электролизу воды.

На аноде производится кислород : 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − (вода подкисляется).

На катоде образуется водород: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Количество выделяющегося водорода незначительно и не является большой проблемой.

Использование специальных электродов позволяет производить из воды озон и перекись водорода.

На аноде производится озон : 3H 2 O → O 3 + 6e − + 6H + (вода подкисляется).

На катоде – перекись водорода : O 2 + 2H 2 O + 2e − → H 2 O 2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Естественная пресная (не дистиллированная) вода всегда содержит минеральные соли – сульфаты, карбонаты, хлориды. В целях получения хлора для пролонгированного эффекта обеззараживания воды интересны только хлориды. В воде они представлены в основном хлоридом натрия (NaCl), хлоридом кальция (CaCl) и хлоридом калия (KCl).

На примере с хлоридом натрия реакция образования хлора электролизом будет следующей.

Соль, растворенная в воде: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O

Во время электролиза на аноде формируется хлор: 2 Cl – → Cl 2 +2 e – (вода подкисляется).

А у катода образуется гидроокись натрия: Na + + OH – → NaOH (вода подщелачивается).

Эта реакция является недолгой, поскольку любой хлор, произведенный у анода, быстро потребляется для формирования гипохлорита натрия : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl .

Подобные реакции электролиза происходят и с хлоридами кальция и калия.

Таким образом, в результате электролиза пресной воды генерируется смесь сильных окислителей: кислород + озон + перекись водорода + гипохлорит натрия .

2) Электромагнитный процесс .

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный (со стороны водорода) и отрицательный (со стороны кислорода) заряды на полюсах. В электромагнитном поле водородная часть молекулы воды притягивается к катоду, а кислородная часть к аноду. Это приводит к ослаблению и даже разрыву водородных связей в молекуле воды. Ослабление водородных связей способствует образованию атомарного кислорода. Наличие в воде атомарного кислорода способствует уменьшению жесткости воды . В обычной воде всегда присутствует кальций. Ионы Са + окисляются атомарным кислородом: Са + + О → СаО. Окись кальция, соединяясь с водой, образует гидрат окиси кальция: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 . Гидрат окиси кальция – сильное основание, хорошо растворимое в воде. Аналогичные процессы происходят и с другими элементами жесткости воды.

3) Процессы кавитации .

В результате электрохимического и электромагнитного процесса происходит образование микроскопических газовых пузырьков кислорода и водорода. Вблизи поверхности электродов появляется белесое облачко, состоящее из возникших пузырьков. Увлекаемые потоком воды, пузырьки смещаются в область, где скорость потока меньше, а давление выше, и происходит их схлопывание с большой скоростью.

Мгновенное схлопывание пузырька высвобождает огромную энергию, которая разрушает водную стенку пузырька, т.е. молекулы воды. Следствием разрушения молекулы воды является образование ионов водорода и кислорода, атомарных частиц водорода и кислорода, молекул водорода и кислорода, гидроксилов и других веществ.

Перечисленные процессы способствуют образованию основного окислителя – атомарного кислорода .

В чём уникальность прямого электролиза воды?

Обеззараживание воды прямым электролизом является разновидностью окислительной обработки воды, но кардинально отличается от распространенных методов обеззараживания тем, что окислители производятся из самой воды, а не вносятся извне и, выполнив свою функцию, переходят в прежнее состояние. Эффективность обеззараживания воды прямым электролизом в несколько раз выше по сравнению с химическими методами. Прямой электролиз воды способствует удалению цветности, сероводорода, аммония исходной воды. Для прямого электролиза не требуются дозирующие насосы и использование реагентов.

Хлор, необходимый для предотвращения вторичного бактериального загрязнения воды в распределительных сетях, активируется из естественных минеральных солей в воде, проходящей через электролизёр, и моментально растворяется в ней. Прямой электролиз разрушает хлорамины, преобразуя их в азот и соль.

физическая химия — Электролиз движет ли разность потенциалов или ток?

В любой электрохимической реакции электроны передаются от окислителя к восстановителю. По определению, любой поток заряда в единицу времени — это электрический ток.

Однако в случае электролиза перенос электронов не является спонтанным. Для протекания реакции требуется внешний источник энергии. Энергия (работа), выделяемая на единицу заряда, называется напряжением.

Следовательно, для протекания любой реакции электролиза требуется подача электроэнергии, а это означает, что необходимы как напряжение, так и электрический ток.\ circ $ — это изменение свободной энергии Гибба при стандартных условиях, $ n $ — количество перенесенных электронов, а $ F $ — постоянная Фарадея (96 485 кулонов на моль).

Например, если чистая вода помещается в «электролитическую ячейку» с двумя нереактивными электродами (например, платиновыми), электроны, вытесняемые в «ячейку» источником электрического тока (например, аккумулятором), будут реагировать с молекулами воды на катод заставляет их лизироваться (расщепляться) на ионы водорода и ионы гидроксида.

$ \ ce {h3O (водн.) -> [\ text {elect}] H + (водн.) + OH- (водн.)} $

На поверхности «анода» гидроксид-ион окисляется (отделяет электроны) с образованием газообразного кислорода.{3}} {2 \ times 96485} = — 1,23 \ \ mathrm {V}

долл. США

Однако на практике требуется немного большее напряжение 1,48 В, поскольку энтальпия (нагрев) продуктов приводит к несколько более низкой эффективности, что проявляется как перенапряжение около 0,25 В.

При превышении этого критического уровня напряжения реакция электролиза протекает со скоростью, в значительной степени определяемой током, поскольку ток представляет собой скорость, с которой заряд доставляется в систему. По сути, чем выше ток, тем больше молекул будет реагировать (электролизовать) и тем больше продуктов (газообразный водород) образуется в единицу времени.

Разделение воды электролизом при высоких плотностях тока до 1,6 В

Разделение воды на водород и кислород путем электролиза с использованием электричества из периодически возникающих отходов тепла, ветра или солнечной энергии является одним из самых простых и чистых методов производства водорода высокой чистоты и эффективным способом хранения избыточной электроэнергии. Ключевой дилеммой для эффективного крупномасштабного производства водорода путем расщепления воды через реакции выделения водорода и кислорода (HER и OER, соответственно) является высокое перенапряжение, необходимое, особенно для OER.Мы сообщаем об исключительно активном и прочном катализаторе OER, обеспечивающем плотности тока 500 и 1000 мА · см ⁻² при перенапряжениях всего 259 мВ и 289 мВ в щелочном электролите соответственно, что соответствует коммерческим критериям процесса OER. Вместе с хорошим катализатором HER мы достигли коммерчески требуемых плотностей тока 500 и 1000 мА · см ^-2 при 1,586 и 1,657 В, соответственно, с очень хорошей стабильностью, значительно ниже, чем любое ранее заявленное напряжение.Это открытие создает основу для крупномасштабного производства водорода путем разделения воды с использованием избыточной электроэнергии, когда и где это возможно.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз?

Максимальное напряжение и ток для электролиза воды.

Если бы я смоделировал электролизер как электрическую цепь, один из простых, может быть, слишком простой способ сделать это — просто назвать его источником постоянного напряжения, соединенным последовательно с резистором.

Или, другими словами, я разделил эту систему на две части , одна из которых превращает электричество в полезную химическую работу (источник напряжения, как идеальный аккумулятор), а другая превращает электричество в тепло (резистор), по существу потеряли электрическую энергию .

Источник постоянного напряжения небольшой, всего около 1,23 В,

https: //en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis_of_wate …

и ток через ячейку, умноженный на это напряжение, представляет собой скорость, с которой фактическое проводятся полезные химические работы.Я имею в виду, что это место, где энергия уходит в дельта-H. Вы знаете, энтальпия продуктов (например, 1 ч3 (г) + 0,5 O2 (г)) минус энтальпия реагентов (например, 1 ч3O (л)).

Любопытно, что когда я проделал это вычисление, беря энтальпию образования жидкой воды и погружая ее на величину заряда в 2 молях перенесенных электронов, я получаю:

(285830 Дж) / (192970 C) = 1,48 V

Что, как ни странно, не совсем тот ответ (1,23 В, как упоминалось выше), который вы получаете, просматривая числа в стандартной таблице потенциалов сокращения,

https: // en.2 * R маленький, и геометрия, которая делает это, представляет собой большие широкие пластины, расположенные очень близко друг к другу.

Вы можете увидеть эту геометрию в других электрохимических элементах, особенно в батареях. Плоские ячейки или две плоские пластины, свернутые в спираль, неофициально называемые «рулетом с желе», являются обычным явлением. Я вспоминаю статью в Википедии «Nickel – metal_hydride_battery», в которой была хорошая фотография этой геометрии «желейного рулета», здесь:

https: //en.wikipedia.org/wiki/ Файл: Nimh_disassembl …

Также геометрия электролизеров PEM (протонообменная мембрана),

https: // en.wikipedia.org/wiki/Proton_exchange_memb …

— это по существу широкие плоские электроды, расположенные близко друг к другу.

Однако для электролизера (без разделительной мембраны), производящего газы как на аноде, так и на катоде, особенно если вы хотите, чтобы эти два газа были разделены, конструкция с небольшим расстоянием между пластинами будет проблематичной, потому что газы пытаясь раствориться друг в друге.

Итак, вот важный выбор конструкции для вашей самодельной ячейки для электролиза воды:

Собираетесь ли вы попытаться разделить газы и собрать их в отдельные емкости?

Или вы собираетесь использовать близкое расстояние между электродами и просто позволять газам от каждого электрода смешиваться вместе, создавая в основном стехиометрическую смесь {2 h3 + 1 O2}?

Этот выбор конструкции важен, особенно если вы хотите хранить более нескольких литров или около 0 литров.1 моль, или около 20 кДж по значению энтальпии, или около 5 ампер * часов с точки зрения количества электричества, которое вы протолкнули через элемент, чтобы произвести этот газ.

Причина в том, что стехиометрический {2 h3 + 1 O2} взрывоопасен. Маленькая искра может поджечь его, и он взорвется! Я вспоминаю предыдущее обсуждение этой темы здесь,

https: //www.instructables.com/answers/Why-have-neu …

Причина, по которой это запомнилось мне, — это, как сказал почтенный Кайтман,

«В школах Великобритании запрещено детонировать более одного литра смеси в помещении из-за повреждения слуха в результате взрыва.»

На самом деле, для меня было интересно то, что кто-то действительно решил создать правило, и, ну, нарисовать линию (которая в данном случае объема ) при 1,0 литре объема STP. производимой газовой смеси.

Многие (большинство?) самодельные конструкции электролизных ячеек, которые вы найдете в результатах поиска, например, конструкция KOR, указанная ранее, будут представлять собой такие конструкции, которые просто смешивают анодный и катодный газы вместе, что является следствием это не позволяет безопасно хранить добытый газ.

Таким образом, вам нужно поискать более тщательно, , чтобы найти конструкции, в которых газы разделяются.

Я помню, Коди из Youtube-канала Cody’sLab создал дизайн такого типа. Кроме того, он занимался и другими вещами, такими как сушка (удаление водяного пара), сжатие и хранение разделенных водорода и кислорода, а затем сжигание их с помощью самодельной сварочной горелки.

Единственная проблема в том, что видео Коди не отточены и не красивы (в некотором роде стиль прямо противоположный Гранту Томпсону, KOR), а Коди как бы блуждает от одной темы к другой.Не поймите меня неправильно. Этот парень просто гениален! Просто вам, вероятно, придется потратить около часа времени на просмотр нескольких его видеороликов, чтобы выяснить детали того, что он на самом деле делает для любого конкретного проекта, над несколькими из которых, по-видимому, работает. одновременно.

Cody’s Water Spltter
(опубликовано 23 марта 2015 г.)

Burning Water
(опубликовано 27 мая 2015 г.)

Генератор водорода Cody завершен для 2500 подписчиков!
(опубликовано 10 июня 2015 г.)

Testing My Oxyhydrogen Torch
(опубликовано 12 июня 2015 г.)

Возобновляемое накопление электроэнергии с помощью электролиза

Abstract

Электролиз преобразует электрическую энергию в химическую энергию путем хранения электронов в виде стабильных химических связей.Химическая энергия может быть использована в качестве топлива или при необходимости преобразована обратно в электричество. Электролиз воды до водорода и кислорода — это хорошо зарекомендовавшая себя технология, в то время как фундаментальные достижения в области электролиза CO ₂ все еще необходимы для обеспечения краткосрочного и сезонного накопления энергии в виде жидкого топлива. В этой статье обсуждаются электролитические реакции, которые потенциально могут сделать возможным накопление возобновляемой энергии, включая воду, электролиз CO ₂ и N ₂ . Рассмотрены последние достижения и основные препятствия, связанные с электрокатализом и управлением массопереносом на системном уровне.Мы пришли к выводу, что знания и стратегии могут передаваться между этими различными электрохимическими технологиями, хотя есть также уникальные сложности, которые возникают из-за специфики вовлеченных реакций.

Построение устойчивых, чистых энергетических систем — одна из самых серьезных проблем, с которыми мир сталкивается в этом столетии. Рост населения и экономическое развитие в ближайшие десятилетия неизбежно приведут к значительному увеличению глобального потребления энергии (1, 2). Традиционные ископаемые источники энергии являются углеродно-положительными и вносят существенный вклад в изменение климата.Существуют различные альтернативные источники энергии с нулевым выбросом углерода, включая ядерное деление, биотопливо и производство электроэнергии из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца (1). Прогнозируется, что возобновляемая электроэнергия может обеспечить резкое снижение интенсивности выбросов двуокиси углерода, определяемой как выбросы двуокиси углерода на единицу выработанной энергии, несмотря на прогнозируемое увеличение общего энергопотребления (3).

Электроэнергия из возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия, стала экономически конкурентоспособной из-за многолетнего снижения затрат и достижений в области технологий.Глобально усредненная приведенная стоимость электроэнергии (LCOE) для солнечной фотоэлектрической (PV) энергии в коммунальном масштабе упала на 73% с 2010 года, в то время как LCOE от берегового ветра в некоторых частях мира достигла 0,03 кВт / ч (4). Согласно прогнозам, цена на возобновляемую электроэнергию из всех коммерческих источников в настоящее время будет сопоставима или ниже цены на электроэнергию, полученную из ископаемого топлива, к 2020 году (4). Одним из основных факторов падения LCOE для солнечной и ветровой энергии является резкое снижение затрат на установку.Глобальная средневзвешенная общая стоимость установки новых фотоэлектрических проектов, вводимых в эксплуатацию, снизилась с 2010 года на 68% до примерно 1600 долл. США / кВт. Затраты на строительство новых атомных и угольных электростанций очень неопределенны и зависят от различные факторы; однако были предложены общие затраты от 5 500 до 8 100 долларов за кВт и 3 500 долларов за кВт, соответственно, и ожидается, что они увеличатся в будущем (5, 6).

Несмотря на быстрый рост возобновляемой электроэнергии, текущая доля электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников, в структуре электроэнергетики остается низкой, при этом гораздо большая часть электроэнергии производится из газа, нефти и угля.Однако, основываясь на прогнозе базового случая, ожидается, что электроэнергия из возобновляемых источников вырастет с 18% до примерно 31% в период с 2018 по 2050 год (3). Одна из проблем, связанных с солнечной электроэнергией, — это прерывистый характер суточного солнечного цикла, который не соответствует спросу и, следовательно, требует избыточных генерирующих мощностей на уровне сети или резервного питания на стороне потребителей. Например, на рис. 1 показано колебание чистой электрической нагрузки в зависимости от времени для весеннего дня в Калифорнии.Начиная примерно с 16:00, для восполнения дефицита электроэнергии на солнечной энергии требуется подача дополнительных 13000 МВт электроэнергии из несолнечных источников, таких как природный газ и ядерная энергия, в течение 3 часов (7).

Рис. 1.

Устойчивое использование энергии. Схема накопления и использования энергии на основе электролиза. Избыточная электрическая энергия из возобновляемых источников может храниться посредством электролиза в качестве химического топлива. Энергия извлекается для выравнивания спроса в краткосрочной перспективе и для удовлетворения потребности в топливе в сезоны, когда возобновляемые источники энергии менее доступны.График перемежаемости ( нижний левый ) данные из исх. 7.

Таким образом, колеблющаяся мощность от солнца и ветра требует значительного накопления энергии, как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Существует несколько способов хранения электрической энергии, включая физические подходы, такие как аккумулирование энергии гидроэлектростанциями и сжатым воздухом; крупногабаритные батареи, такие как свинцово-кислотные, литиевые, натриево-серные батареи и проточные батареи; и электролиз, при этом гидроэлектростанция с насосом является ведущей технологией в секторе накопления энергии (8).Большинство этих методов страдают тем, что подходят только для кратковременного хранения или ограничены конкретными географическими требованиями. Электролиз выделяется как средство хранения электрической энергии в виде стабильных химических связей. Потенциально огромная энергоемкость, незначительная скорость саморазряда, существующая инфраструктура и низкие капитальные затраты на содержание возобновляемого углеродного топлива делают их идеальными для сезонного хранения, что очень желательно с учетом сезонности возобновляемых источников энергии.Потребность в такой технологии будет становиться все более острой с ожидаемым более широким проникновением недорогой возобновляемой электроэнергии в энергосистему, как показано на рис. 1.

Хотя электролиз воды до водорода и кислорода является хорошо зарекомендовавшей себя технологией, эффективных и экономичных средств хранения электроэнергии в виде жидкого топлива пока не существует. Чтобы такая технология стала экономически конкурентоспособной с обильными ископаемыми видами топлива, нужно начинать с очень дешевой электроэнергии.Технико-экономический анализ электролиза CO ₂ показывает, что для обеспечения конкурентоспособности топлива, полученного путем электролиза, по сравнению с ископаемым топливом, потребуется цена на возобновляемую электроэнергию ниже 0,04 доллара США / кВтч (9). Согласно базе данных Международного агентства по возобновляемым источникам энергии по затратам на возобновляемые источники энергии (4), эта цель находится на пути к достижению.

На рис. 1 мы проиллюстрировали, как можно достичь устойчивого энергетического цикла, сочетая электролиз с электричеством, вырабатываемым с помощью солнца и ветра, среди других возобновляемых источников.Электролиз может производить как товарные химикаты, так и водород, уменьшая непостоянство возобновляемой энергии. В этом сценарии водородно-воздушные топливные элементы могут использоваться для преобразования энергии, которая хранится в виде водорода, обратно в электричество. Жидкое топливо с высокой плотностью энергии является предпочтительной формой для сезонного хранения и может образовывать экологически чистый энергетический цикл, если CO ₂ в воздухе может быть сконцентрирован для обеспечения эффективного электролиза. Активизируются исследования по улавливанию углерода из атмосферы (10), и несколько компаний работают над коммерциализацией технологии улавливания углерода.Электролиз CO ₂ в CO и водород (синтез-газ) был осуществлен с использованием множества различных электрокатализаторов и обеспечивает сырье для углеводородного топлива посредством процесса Фишера-Тропша. В качестве альтернативы продукты, связанные с C – C, включая этилен и этанол, могут быть получены непосредственно путем электролиза на медьсодержащих катализаторах, но эффективность, селективность и производительность этих реакций должны быть улучшены. На рисунке не показано электрохимическое восстановление N ₂ до аммиака для производства удобрений.В этом случае электролиз использует неограниченное количество химического сырья, поскольку атмосфера Земли обеспечивает азот и воду, необходимые для реакции. Помимо производства топлива и удобрений с помощью электролиза, термохимический катализ обеспечивает известный метод гидрогенизации CO ₂ , CO и N ₂ . Двумя примерами являются процессы Фишера-Тропша и Габера-Боша, которые уже хорошо развиты в масштабах для производства жидких углеводородов и аммиака, соответственно.Следует отметить, что почти 80% энергии, потребляемой при синтезе аммиака, приходится на производство водорода посредством парового риформинга и реакции конверсии воды в газ (11). Электролиз воды обеспечивает потенциальную углеродно-нейтральную альтернативу обеспечению водорода для этих реакций.

Электролитический процесс ограничен тремя факторами, которые эффективно действуют как последовательные импедансы: кинетикой переноса электронов на электрифицированной границе раздела, массопереносом реагентов и продуктов и последовательным сопротивлением, включая перенос ионов.Перенос электронов через наэлектризованную границу раздела определяет кинетику окисления и восстановления, а перенос массы контролирует доступность реагента и скорость, с которой продукт может быть удален, как показано на рис. 2 A . Скорость переноса электронов и поток массопереноса связаны, поскольку они оба пропорциональны току. Активные катализаторы необходимы для снижения активационного барьера путем связывания и стабилизации определенных переходных состояний, рис. 2 B . Увеличение перенапряжения для одного или обоих электродных процессов ускоряет кинетику реакции за счет эффективного снижения активационного барьера, но дополнительные затраты на энергию снижают эффективность преобразования энергии, как показано на рис.2 Д . Когда кинетика переноса электрона достаточно быстрая, максимальная плотность тока достигается за счет ускорения подачи реагента. В случае электролиза CO ₂ это может быть достигнуто путем подачи реагента и удаления продуктов в газовой фазе, используя преимущество более быстрого коэффициента диффузии газов и избегая низкой растворимости CO ₂ в жидкой воде, как показано на рис.2 C .

Рис. 2.

Схема электролиза.( A ) Реагенты переносятся на поверхность электрода, где происходит катодная реакция. ( B ) Сравнение путей реакции для HER с катализатором и без него. Катализатор стабилизирует промежуточное соединение и снижает энергию активации. ( C ) Электролизеры с подачей газа. Электролиз с подачей газа использует быструю диффузию газообразных молекул, что обеспечивает высокую плотность тока. Мембранные электролиты обычно требуются для управления ионами и разделения газов.( D ) Кинетика электрохимической HER. Энергия переходного состояния уменьшается по мере увеличения перенапряжения.

Электролиз воды

Электролиз воды имеет долгую историю, первая опубликованная демонстрация датируется 1789 годом, и теперь это хорошо зарекомендовавшая себя коммерческая технология. Например, большая установка щелочных электролизеров Norsk Hydro (1948–1990) на гидроэлектростанции была способна производить около 70 000 кг H ₂ / сут (8). Крупнейшая ветро-водородная установка была установлена ​​в Норвегии в 2004 году компаниями Norsk Hydro и Enercon, в которых ветряная турбина мощностью 600 кВт была соединена с электролизером мощностью 48 кВт (12).

За последние два десятилетия интерес к электролизу воды возрос из-за его потенциальной роли в водородной экономии энергии, включающей электролитическое производство, хранение, транспортировку и использование водорода в качестве топлива (2). Текущие исследования сосредоточены на водных электролизерах, которые можно разделить на категории в соответствии с их электролитами: щелочные электролиты, протонообменные мембраны (PEM) и твердотельные протонные или оксидные ионные проводники. Коммерческие электролизеры из ПЭМ достигают наилучших характеристик (энергоэффективность ∼70% при плотности тока 1.7 А / см ² , Giner Inc.) (13), но большое перенапряжение реакции анодного окисления водой и коррозионно-кислотная среда требуют использования катализаторов из драгоценных металлов. Мембранный электролит и изготовление биполярных пластин также значительно увеличивают стоимость. Щелочные электролизеры — это самая старая технология с несколько более низким КПД системы (КПД ~ 64% при плотностях тока 1 А / см ² , ГГВт) и более низкой стоимостью (800 долларов США / кВт) (13). Щелочные электролиты позволяют использовать катализаторы из неблагородных металлов, таких как Ni и Fe.

В последнее время проявился интерес к разработке лучших катализаторов для снижения стоимости и повышения эффективности электролиза воды. В кислых электролизерах PEM график вулкана коррелирует скорость реакции катодного выделения водорода (HER) с прочностью связи металл-водород на различных металлических катализаторах (рис. 3 A ) (14). Простое объяснение формы вулкана состоит в том, что металлы, которые слишком слабо связывают водород, не могут стабилизировать промежуточное соединение M – H, тогда как те, которые образуют очень сильные связи M – H, заполняют большую часть участков связывания, оставляя мало места для нового акта адсорбции.В то время как прочность связи M – H является хорошим показателем для большинства катализаторов, некоторые металлы с определенными гранями, такие как Pt (111), демонстрируют в 20-200 раз более высокую плотность тока обмена HER в кислоте, чем в основании, даже несмотря на то, что H-связывание энергия похожа. Механистические исследования указывают на роль адсорбции гидроксида (15) или реорганизации воды под действием межфазного электрического поля во время процесса HER (16). Драгоценные металлы (Pd и Pt) являются лучшими катализаторами, но их стоимость и низкая естественная распространенность создают препятствия для использования этой технологии в очень больших масштабах.Таким образом, привлекательной стратегией является замена чистой Pt структурами ядро-оболочка, над- и подслой, легированными и поддерживаемыми структурами. Дальнейшее снижение содержания благородных металлов возможно за счет использования одноатомных катализаторов, появившихся в последние несколько лет. Высокая поверхностная энергия отдельных атомов способствует их слиянию и требует опор, которые могут прочно их закрепить. Электрокатализаторы могут также стабилизировать каталитические атомы металлов и модулировать их реакционную способность, отдавая или принимая электроны.Например, есть доказательства переноса d-электронов между поздним переходным металлом (оксидом) и слоистыми носителями из ранних переходных металлов в сильном взаимодействии металл-носитель (17). Аналогичные соображения могут быть применимы к сплавам, содержащим металлы с различной электронной отрицательностью.

Рис. 3.

Электролиз воды. ( A ) График вулкана HER для каталитических элементов. Данные из исх. 14. ( B ) Диаграмма свободной энергии для ООР. Черная кривая относится к идеальному катализатору OER, тогда как красная кривая представляет собой настоящий катализатор (22).( C ) Сравнение низкотемпературного электролизера PEM и высокотемпературного электролизера SOEC. Данные из исх. 43. ( D ) Характеристики SOEC в режиме электролизера и топливного элемента с использованием протонного проводника при промежуточных температурах. Повышение температуры на 150 ° C резко улучшило плотность тока ячейки. Данные из исх. 44.

Одним из важных факторов электрокатализа является каталитически активная площадь поверхности. Плотность тока, нормированная на активную площадь поверхности, часто показывает скорость смены узлов и энергии активации, аналогичные планарному аналогу, хотя ток может отличаться на порядки величины (18).Однако при измерении площади поверхности могут возникать неточности из-за экспериментальных условий, включая проводимость электролита, покрытие поверхности и временные масштабы (19). Кроме того, поскольку кинетика переноса электрона является быстрой в кислых водных электролитах, активность HER обычно ограничена массопереносом и требует принудительной конвекции или методов ультрамикроэлектрода для измерения его внутренней активности.

Недавно был открыт ряд катализаторов HER на основе неблагородных металлов. Вдохновленный кофактором MoFe нитрогеназы, который имеет энергию связи водорода, близкую к энергии связи Pt, было показано, что краевые центры MoS ₂ , а также несколько металлофосфидных катализаторов проявляют активность по отношению к HER (20).Недавние исследования показали, что вакансии S и инженерия деформации также являются эффективными способами улучшения характеристик HER (21).

Реакция выделения 4-электронного и 4-протонного кислорода (OER) более сложна с механической точки зрения и неизменно включает значительные (от 250 до 300 мВ) перенапряжения в кислой среде. Считается, что реакция протекает через адсорбированные частицы M – OH с последующей стадией депротонирования. Газообразный кислород образуется либо из поверхностного гидроперокси-интермедиата, M – OOH, либо в результате бимолекулярной рекомбинации M – O.Для катализаторов ООР на основе оксидов со структурами каменной соли, рутила, шпинели и перовскита графики вулканов были построены из теоретических соображений (22). Идеальный OER с оптимальной энергией связи имеет разность свободной энергии между M – OOH и M – OH (ΔGOH – ΔGOOH) 2,46 эВ, требуя начального потенциала 1,23 В (рис. 3 B ). Потенциалы начала действия реальных катализаторов, однако, значительно выше, потому что (ΔGOH-ΔGOOH) отклоняется от идеального случая и, как предполагается, регулируется свободной энергией связывания M – O.Универсальное среднее значение (ΔGOH-ΔGOOH), равное 3,2 эВ, согласуется с несколькими группами катализаторов, поскольку сила связывания ОН линейно зависит от силы связывания ООН (22). Хотя масштабное соотношение является полезным понятием для понимания каталитической активности, экспериментальная количественная оценка осложняется тем фактом, что свойства поверхности катализатора могут изменяться во время электрохимической операции, особенно в анодных условиях. Например, степени окисления металлов зависят от приложенного потенциала, и этот эффект может привести к резким изменениям каталитической активности, проводимости и стабильности.Переход от Ni ²⁺ к Ni ³⁺ обычно является предпосылкой для высокой активности OER в щелочных катализаторах на основе никеля, поскольку первые являются изоляционными. Предварительная обработка поверхности катализатора перед испытанием важна для содержательной оценки и сравнения. Оксиды металлов с высокой растворимостью в более высоких степенях окисления часто нестабильны в кислой среде, и наблюдается компромисс между стабильностью и активностью Pt, Pd, Au и Ru (23). В настоящее время оксид иридия является единственным известным стабильным катализатором выделения кислорода в кислой среде, и он используется только в чистом виде в слое катализатора.

Проводящие опоры могут использоваться для снижения содержания драгоценных металлов, что приводит к снижению затрат и лучшему использованию катализаторов. Однако, хотя углерод можно использовать в качестве проводящей основы для обеих полуреакций в топливном элементе, его можно использовать только на стороне водорода в электролизере PEM; со стороны кислорода быстро разъедает. Оксидные носители, такие как мезопористый оксид олова, легированный индием, показали высокую проводимость (0,3 См / см) и многообещающую электрохимическую стабильность при анодных потенциалах (24).Таким образом, двумя ключевыми темами исследований кислотного электролиза являются поиск более распространенного и недорогого альтернативного оксиду иридия катализатора для выделения кислорода и / или открытие проводящего носителя, который также имеет долгосрочную стабильность в условиях выделения кислорода в кислой среде.

CO

₂ Электролиз

Электрохимическое восстановление CO ₂ до жидкого топлива и химикатов с добавленной стоимостью представляет собой возможное решение для сезонного хранения возобновляемой электроэнергии с нулевым выбросом углерода.CO ₂ может быть восстановлен до различных продуктов C1, включая монооксид углерода (CO), формиат, метан, метанол и продукты C2 +, включая этилен и этанол (25). Восстановление CO ₂ с высокой селективностью по CO и формиату уже реализовано, поскольку эти реакции представляют собой процесс передачи 2-х электронов (26). Сложнее получить продукт C2 + с высокой селективностью, так как процесс требует переноса более 2 электронов и нескольких протонов, что требует нескольких промежуточных продуктов реакции, некоторые из которых используются совместно с различными возможными продуктами.Высокое перенапряжение, необходимое для большинства катализаторов восстановления CO ₂ , также подразумевает низкую эффективность преобразования энергии, <50% (по сравнению с 60-70% для водных электролизеров) (9).

Как обсуждалось для OER, эффективность восстановления CO ₂ на металлических катализаторах ограничена линейными масштабными соотношениями. Например, на рис. 4 A показана корреляция свободной энергии (рассчитанной с помощью теории функционала плотности, DFT) 2 промежуточных соединений при восстановлении CO ₂ до CO, E (COOH) и E (CO).Желательна более низкая свободная энергия и более стабильная связь M – COOH, тогда как более слабая связь с CO необходима для оптимизации десорбции продукта (27). Это сложно для одиночного металлического катализатора, если промежуточные соединения связываются с одним и тем же сайтом, потому что сила связи M – C линейно масштабируется. Мультиметаллические катализаторы черпают вдохновение из активного центра фермента CO-дегидрогеназы CODH, в котором совместное связывание с 2 атомами металла стабилизирует переходное состояние CO ₂ ^— (28, 29).Cu является уникальным катализатором восстановления CO ₂ , потому что он поддерживает продукты C2 +, в том числе такие, как этанол, которые идеально подходят для сезонного хранения. Cu образует умеренно прочную связь с CO, но не настолько сильную, чтобы отравить поверхность, обеспечивая достаточное покрытие для этапов взаимодействия C – C или протонирования (30, 31). Каталитические пути, ведущие к углеводородам или оксигенатам на Cu, сложны и сильно связаны, о чем свидетельствует относительно низкая фарадеевская эффективность (FE) для получения этилена и этанола (рис.4 В ). Легирование Cu другими металлами (29, 32–34) и построение наноструктур, которые модулируют химическое окружение места связывания CO (35–37), представляют собой интересные стратегии для управления распределением продуктов C2 +. Учитывая сложность этой проблемы, существует потребность в более совершенных спектроскопических датчиках и микроскопах, которые могут охарактеризовать структуру электрокаталитических центров. Систематический высокопроизводительный скрининг, основанный на вычислениях и машинном обучении, также становится эффективным средством решения электрокаталитических проблем такого рода (38).

Рис. 4.

CO ₂ электролиз. ( A ) Масштабное соотношение между адсорбционной силой COOH и CO на различных металлических поверхностях и в ферментах. Печатается с разрешения исх. 27. Авторское право Американского химического общества, 2013 г. ( B ) Сравнение плотности тока и FE восстановления CO ₂ до этилена (синий) и этанола (красный). Сплошные символы относятся к опубликованным тестам стабильности. Более высокая плотность тока достигается в конфигурации с трехфазной границей (TPB) по сравнению с восстановлением водной фазы CO ₂ (Aq.). Данные из исх. 29, 32–34 и 35–37. ( C ) Повышенный массоперенос CO ₂ вблизи поверхности иглы из золота. Большое электрическое поле на кончике иглы Au притягивает гидратированный K ⁺ , который концентрирует CO ₂ в своей сольватной оболочке. Адаптировано с разрешения исх. 39, Springer Nature: Nature , авторское право 2016. ( D ) Конструкция TPB при электролизе CO ₂ с подачей газа. Катализатор Cu распыляется на пористый носитель из ПТФЭ, который обеспечивает путь диффузии газа.Из исх. 40. Печатается с разрешения AAAS.

Существуют также острые проблемы системного уровня при электролизе CO ₂ . Низкая растворимость CO ₂ в воде в кислых условиях создает ограничение массопереноса, и при высоких перенапряжениях реакция HER становится доминирующей. Стратегии концентрации CO ₂ на поверхности электрода могут до некоторой степени смягчить эту проблему (рис. 4 C ) (39), а массоперенос значительно улучшается, когда CO ₂ подается в газовой фазе.В этом случае очень важно построить трехфазную границу (TPB) с большой площадью поверхности, где встречаются катализатор, электролит и газообразный реагент. На рис. 4 D показан TPB, изготовленный путем напыления слоя катализатора Cu на подложку из политетрафторэтилена (ПТФЭ), предотвращающую затопление системы, поверх которой нанесен углеродный проводящий слой. Газообразный CO ₂ диффундирует через пористый слой PTFE, и HER подавляется с помощью щелочного электролита (40). Уроки биологических систем, таких как растения C4 (растения с альтернативным путем фотосинтеза, включающие CO ₂ в промежуточное соединение C4, оксалоацетат), могут вдохновить другие стратегии для концентрации CO ₂ в конфигурации TPB.Фотосинтезирующие организмы развили способность направлять CO ₂ на рибулозо-1,5-бисфосфат в качестве источника углерода для цикла Кальвина. Растения C4 приобретают дополнительную концентрацию, улавливая CO ₂ в 4-углеродном соединении и передавая его в клетки оболочки пучка для декарбоксилирования, что приводит к локальной поставке CO ₂ для фиксации (41). Аналогичное хранение и доставка CO ₂ решает главную проблему газовых электролизеров CO ₂ , потому что скорость однопроходного преобразования в современных электролизерах низкая.Можно представить себе оснащение диффузионного слоя в электролизере градиентно-локализованными «ячейками оболочки пучка», которые утилизируют непрореагировавший газ CO ₂ из TPB и передают его вниз к реакционным участкам, достигая более высоких показателей конверсии.

Ряд уроков, извлеченных из водных электролизеров, можно применить к проблеме электролиза CO ₂ , хотя некоторые проблемы специфичны для CO ₂ . Градиенты pH, возникающие в мембранных электролитах, требуют затрат энергии в водных электролизерах, которые работают в нейтральном или почти нейтральном растворе, и по этой причине все водные электролизеры работают в сильно кислых или сильно щелочных условиях.Использование буферных растворов при электролизе CO ₂ создает градиенты pH и проблемы управления протонами при высокой плотности тока. Для водных электролизеров биполярная мембрана (BPM) решает эту проблему за счет работы катода и анода в кислоте и основании соответственно. Такое расположение минимизирует потери поляризации мембраны, поскольку самодиссоциация воды в BPM обеспечивает ионы H ⁺ и OH ^— на катод и анод, соответственно. Эта стратегия может быть применена к электролизу CO ₂ , но с некоторыми изменениями, поскольку для восстановления CO ₂ требуется оптимальный pH, отличный от HER.Использование BPM также смягчает проблему перехода как анионных, так и нейтральных продуктов (42).

Твердотельные электролиты

Поскольку скорость химических реакций экспоненциально возрастает с температурой, промежуточные и высокотемпературные электролизеры эффективны для снижения перенапряжения электродов как для анодных, так и для катодных реакций. На рис. 3 C сравниваются поляризационные кривые ячейки PEM при 60 ° C и ячейки для электролиза твердого оксида (SOEC) при 800 ° C (43), а на рис.3 D показывает данные для ячейки, содержащей твердотельный протонпроводящий электролит (44). Электродные реакции в промежуточных (от 250 до 500 ° C) и высокотемпературных (от 600 до 800 ° C) электролизерах немного отличаются от таковых в полимерных электролизерах в зависимости от типа используемого электролита. Например, в SOEC водяной пар или CO ₂ реагирует на катоде с образованием H ₂ или CO, соответственно, и O ^2- в 2-электронном процессе. На аноде ионы O ^2- объединяются с образованием газа O ₂ .

(La _1-x Sr _x ) _1-y MnO ₃ является одним из наиболее изученных катализаторов для анода SOEC, но имеет проблемы с отслаиванием от электролита, вызывающим увеличение поляризации (45 ). На катоде никель и другие металлы с поздним переходом часто используются в качестве катализаторов SOEC, но обычно они не очень стабильны при требуемых температурах (46). Испытания проводились с использованием перовскитов, включая La _0,6 Sr _0,4 VO _3-d и (La _0.75 Sr _0,25 ) _0,95 Mn _0,5 Cr _0,5 O ₃ в качестве катализаторов на катоде с многообещающими результатами (47, 48). La _1-x Sr _x Ga _1-y Mg _y O ₃ имеет оксидно-ионную проводимость в 5 раз выше, чем у типичных циркониевых электролитов, но его стабильность в SOEC еще не исследована подробно ( 49). Одно исследование с использованием La _1-x Sr _x Ga _1-y Mg _y O ₃ в твердооксидном топливном элементе показало, что выходное напряжение спадает со скоростью 1 мВ / ч (50), что составляет не жизнеспособен для коммерческой системы.Протонпроводящие электролиты также очень перспективны, поскольку они могут достигать более высокой проводимости, чем оксидпроводящие материалы при относительно низких температурах (51). Наиболее изученными типами протонпроводящих электролитов являются перовскиты BaZrO ₃ и BaCeO ₃ , где первый более стабилен, а второй более проводит (52). Хороший компромисс между этими двумя случаями был получен в результате их объединения в BaCe _0,5 Zr _0,3 Y _0,2 O _3-d , что привело к впечатляющей плотности тока 830 мА / см ² при 1.5 В (53). Обратной стороной керамических протонных или оксидных ионных проводников является то, что их ионная проводимость не так высока, как у полимерных электролитов, а высокие рабочие температуры вызывают со временем разрушение даже материалов электрода и электролита. Один из способов, которым исследователи пытались минимизировать деградацию, — это понизить рабочую температуру. Недавно было показано, что твердые кислоты являются хорошими проводниками протонов при промежуточных температурах. Например, CsHSO ₄ , CsH ₂ PO ₄ и Cs ₂ (HSO ₄ ) (H ₂ PO ₄ ) показали высокую протонную проводимость, а также некоторые другие, включая Rb ₃ H (SeO ₂ ) ₂ , (NH ₄ ) ₃ H (SO ₄ ) ₂ и K ₃ H (SO ₄ ) ₂ .Эти материалы достигают электропроводности при температурах от 120 до 300 ° C, но ограничены своими хрупкими механическими свойствами (54). Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на улучшении взаимодействия электролита и катализатора, чтобы свести к минимуму расслоение. Еще одна интересная разработка заключалась в использовании электролитов, которые могут проводить как протоны, так и ионы оксидов. Одна группа изготовила гибридный SOEC, используя BaZr _0,1 Ce _0,7 Y _0,1 Yb _0,1 O _3-d в качестве электролита, который мог произвести 3.16 А / см ² при 1,3 В и 750 ° C. Эти характеристики намного лучше, чем у одиночных ионопроводящих электролитов (55). Исследования твердотельных систем как для расщепления воды, так и для электролиза CO ₂ демонстрируют устойчивый прогресс и являются многообещающими для получения топлива и химического сырья (H ₂ и CO) из электроэнергии. Haldor Topsøe уже производит SOEC для крупномасштабного производства CO по запросу из CO ₂ с чистотой до 99.999% (56).

Электрохимическое восстановление азота

Электросинтез аммиака (ESA) изучается, чтобы лучше понять электрокаталитическую активацию диазота и ее ограничения. Это было сделано в диапазоне температур путем реакции газа N ₂ на катоде и воды на аноде, которые разделены протонпроводящим электролитом, или взаимодействия N ₂ и воды на катоде с использованием анионпроводящего электролит. Из-за 6-электронной природы реакции восстановления N ₂ фарадеевская и энергетическая эффективность для объединения окисления воды и восстановления азота имеют тенденцию быть очень низкими.Более часто изучаемый подход заключается в использовании более высоких температур и подаче H ₂ на анод. Это может увеличить FE за счет окисления H ₂ , но при высоких температурах возникает риск разложения любого образующегося NH ₃ (57). В низкотемпературных ЭИЛ наиболее часто исследуемой мембраной является нафион из-за ее высокой проводимости и стабильности, хотя один из самых высоких КЭ, о которых сообщалось до сих пор (41%), был получен из анионообменной полимерной мембраны с железным катодом (58). Другие протестированные катализаторы включают Pt, Ru и оксиды проводящих металлов с аналогичными результатами (59).Несколько попыток использовать расплавленные соли при 400 ° C с N ^3- в качестве подвижного иона в электролите и Ni в качестве катализаторов показали, что FE достигает 80% и скорость синтеза выше, чем у любого твердого оксидного проводника (60). В этом случае электрокатализаторами обычно являются металлы с поздним переходом, такие как серебро, никель или палладий, а электролиты часто такие же, как те, что используются в SOEC, расщепляющих воду (59). Одна исследовательская группа также использовала CH ₄ в качестве источника водорода вместо H ₂ с аналогичными результатами (61).Низкий КЭ и низкая плотность тока — постоянные проблемы для исследований ESA. При более высоких температурах КЭ составляет от <1 до 80%, но плотности тока слишком малы для практических целей и составляют от <1 до 23 мА / см ² . Для температур ниже 100 ° C КЭ обычно составляет от 1 до 2%, хотя есть несколько отчетов, которые были значительно выше и могут показывать многообещающие, если плотность тока может быть улучшена (58). Расчеты методом DFT помогли прояснить проблемы электрокатализа азота.В частности, одна группа обнаружила, что различия в энергиях адсорбции промежуточных продуктов NH _x * далеки от оптимальных значений для желаемой реакции, что представляет собой сложную проблему для ESA (62).

Перспективы

Рост мощности возобновляемых источников энергии за счет солнечной, ветровой и других углеродно-нейтральных источников ограничен отсутствием адекватных решений для краткосрочного и долгосрочного хранения энергии. Жидкие виды топлива на основе углерода идеально подходят для длительного хранения энергии из-за их высокой плотности энергии и хорошо развитой инфраструктуры для их транспортировки, хранения и использования.Электролиз обеспечивает ключевое звено между электрической энергией и жидким топливом, либо путем прямого электросинтеза из CO ₂ и воды, либо посредством получения сырья для синтеза топлива, такого как водород и синтез-газ. Последние электролитические процессы, в которых участвуют 2-электронные, 2-протонные катодные реакции, уже хорошо разработаны с научной и технологической точек зрения. Электролиз воды с использованием щелочных электролизеров получил коммерческое распространение в тех частях мира, где гидроэлектроэнергия является дешевой и широко распространенной.Демонстрация технологий производства CO и синтез-газа была успешной как для систем на основе низкотемпературных полимерных электролитов, так и для высокотемпературных твердотельных электролизеров.

Прямое электролитическое производство жидкого топлива, такого как этанол или аммиак, требует от нас освоения каскадов электрокаталитических реакций, помимо простых одноэлектронных промежуточных продуктов. Хотя восстановление CO ₂ до продуктов, связанных с C – C на медьсодержащих катализаторах, известно с 1980-х годов, подробный механизм стал понятен только недавно путем объединения теории электронной структуры с экспериментальными электрохимическими и спектроскопическими экспериментами.Обнадеживающий прогресс был достигнут в поисках катализаторов и электролитов, которые позволяют селективно производить продукты C ₂ , такие как этилен и этанол, но высокие катодные и анодные перенапряжения ограничивают эффективность этих процессов. Помимо изучения катализа, стратегии улучшения транспорта реагентов, продуктов и ионов также важны для разработки эффективных электролизеров для CO ₂ и N ₂ .

Наше понимание хорошо разработанных технологий, таких как электролиз воды, дает полезное руководство для решения других проблем электрохимического преобразования энергии.Принципы катализа в многоэлектронных реакциях, например линейные масштабные соотношения, можно переносить от одной реакции к другой. Уроки на системном уровне также являются общими для разных электролитических систем. Например, управление протонами с помощью BPM решает проблемы системного уровня как для воды, так и для электролиза CO ₂ . Снижение перенапряжения электродов при повышенных температурах эффективно для электролиза воды и CO ₂ с образованием H ₂ и CO и в будущем может быть применено к реакциям, непосредственно производящим жидкое топливо.Природные ферментные системы также вдохновляют на разработку новых стратегий для предварительного концентрирования и доставки реагентов, а также на контроль среды каталитически активных центров для улучшения как селективности, так и эффективности электрокатализаторов для производства жидкого топлива.

Заявление о доступности данных

Нет данных, связанных с этой статьей.

Благодарности

Авторы выражают признательность Управлению фундаментальных энергетических наук, Отделу химических наук, наук о Земле и энергетических биологических наук, Департамента энергетики за поддержку их исследований по солнечной фотоэлектрохимии по контракту DE-FG02-07ER15911 и Канадскому институту перспективных исследований. Программа Research Bio-Inspired Solar Energy для поддержки их работы по электрокатализу CO ₂ .

Сноски

• Авторы: J.A.T. и T.E.M. спланированное исследование; З.Я. и J.L.H. проведенное исследование; и Z.Y., J.L.H., J.A.T. и T.E.M. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Настоящий документ является результатом Коллоквиума Артура М. Саклера Национальной академии наук «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта», состоявшегося 10–12 октября 2018 г. в Национальном центре имени Арнольда и Мейбл Бекман. Академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния.Коллоквиумы НАН начались в 1991 г. и с 1995 г. публикуются в PNAS. С февраля 2001 г. по май 2019 г. коллоквиумы поддерживались щедрым подарком от Фонда искусств, наук и гуманитарных наук Дамы Джиллиан и доктора Артура М. Саклера в память мужа дамы Саклер, Артура М. Саклера. Полная программа и видеозаписи большинства презентаций доступны на веб-сайте NAS http://www.nasonline.org/decarbonizing.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Разработка стратегии производства водорода с использованием солнечной фотоэлектрической энергии на основе гидродинамических аспектов

Электролиз щелочной воды с использованием возобновляемых источников энергии — одна из наиболее многообещающих стратегий экологически чистого производства водорода. Однако источники энергии ветра и солнца сильно зависят от погодных условий. В результате колебания мощности влияют на электролизер и вызывают ряд отрицательных эффектов. Принимая во внимание эти ограничивающие эффекты, которые снижают эффективность электролиза воды, в этом исследовании предлагается новая операционная стратегия.Он основан на перекачивании электролита в соответствии с плотностью тока, подаваемой солнечным фотоэлектрическим модулем, для достижения подходящих условий гидродинамики в электролизной ячейке. С этой целью была разработана математическая модель, включающая влияние расстояния между электродом и мембраной, температуры и расхода электролита, которая использовалась в качестве инструмента оптимизации. Полученные результаты подтверждают удобство выбранной стратегии, особенно когда электролизер работает от возобновляемых источников энергии.

1 Введение

Стоимость и доступность ископаемого топлива, выбросы парниковых газов и растущий спрос на энергию являются одними из наиболее важных проблем, которые характерны для реальной энергетической и транспортной системы. В отличие от проблем, связанных с ископаемым топливом, возобновляемые источники энергии (ВИЭ) представляют собой одну из наиболее многообещающих и устойчивых альтернатив для изменения глобальной энергетической модели. Однако присущая ему зависимость от погодных условий приводит к тому, что они являются непостоянными, и поэтому требуются адекватные технологии хранения энергии для улучшения интеграции ВИЭ.С одной стороны, избыточная энергия может быть сохранена и доступна позже во время спроса; с другой стороны, они могут стабилизировать и разгрузить сетку [1].

Энергию можно накапливать разными способами. Батарейки — одно из самых распространенных решений. С другой стороны, методы гидроаккумуляции и хранения сжатого воздуха (CAES) хорошо известны и в некоторых случаях используются десятилетиями [1]. Однако их емкость может составлять от нескольких часов до нескольких дней. В этом контексте водород предлагает многообещающую альтернативу.Это химическое решение для хранения энергии, поэтому оно может хранить больше энергии на единицу объема, чем потенциальные системы хранения энергии. Избыток электроэнергии, произведенной с помощью ВИЭ, можно преобразовать в водород, хранить и, при необходимости, преобразовать в электричество и тепло с помощью топливных элементов. На рисунке 1 показан пример системы, основанной на возобновляемых источниках энергии, использующей водород в качестве вектора энергии. Результат — энергоноситель без выбросов.

Рисунок 1

Пример системы на основе возобновляемых источников энергии, использующих водород в качестве вектора энергии (адаптировано с разрешения из ссылки [6])

Помимо энергетического вектора для производства электроэнергии и тепла, водород может быть введен в сеть природного газа, использован в качестве сырья для химической промышленности и для синтеза различных углеводородных топлив, таких как метан или метанол (через гидрирование CO ₂ реакции) или синтетического дизельного и бензинового топлива (по реакции Фишера-Тропша).Более того, водород также можно напрямую использовать в мобильных устройствах (электромобили на топливных элементах) и в различных портативных приложениях [2–6].

Хотя водород можно получить разными способами, электролиз воды, вероятно, является одной из наиболее экологически чистых стратегий, в основном при использовании возобновляемых источников энергии (RES-H ₂ ). Среди различных технологий электролиза щелочной водный электролиз (AWE) является оптимальным для крупномасштабного производства водорода, поскольку это экономичная и зрелая технология [1, 7].Однако источники энергии ветра и солнца сильно зависят от погодных условий. В результате колебания мощности влияют на электролизер и вызывают ряд отрицательных эффектов, таких как образование взрывоопасных смесей, проблемы с материалами, вызывающими коррозию, падение давления и повышение потенциала электролиза, среди многих других. Кроме того, высокое присутствие пузырьков в анодном и катодном отсеках как следствие газа, образующегося во время электролиза, увеличивает омические капли, особенно при высоких плотностях тока и малых расстояниях между электродами.Это вызывает растущую потребность электролизеров в энергии и снижает общую эффективность процесса [8, 9].

Есть несколько способов уменьшить газовую фракцию и повысить эффективность ячейки, например, различные условия гравитации, ультразвуковые приложения или магнитные поля [10]. Однако подходящим и простым подходом может быть оптимизация гидродинамического процесса с использованием насоса для управления потоком. В результате газ быстрее выходит из ячейки. Эта стратегия может быть особенно подходящей для типичных колебаний электроснабжения ВИЭ, потому что можно определить оптимальную скорость потока электролита в зависимости от солнечного излучения или скорости ветра, т.е.е. в зависимости от количества газа в ячейке.

В этом контексте математическое моделирование может быть полезной стратегией для достижения надлежащей работы щелочных электролизеров, работающих на ВИЭ. Одна из наиболее подробных моделей солнечного водорода была разработана в Институте Фраунгофера Грисшабером и Сиком [11], а затем подтверждена Мёрнером [12]. Впоследствии Уллеберг [7] сообщил в 2003 году о динамической модели щелочного электролизера, взяв за основу эти предыдущие работы.Модель основана на сочетании фундаментальной термодинамики, теории теплопередачи и эмпирических соотношений, и она может моделировать динамические характеристики щелочного электролизера. Кроме того, эта модель часто использовалась для динамического моделирования систем RES-H ₂ из-за ее точности и адаптируемости к различным электролизерам [13]. Он также использовался, среди прочего, для повышения эффективности процесса, оценки экономических показателей или максимального увеличения производства водорода [14–19].Однако, хотя эта модель точно воспроизводит кривую поляризации щелочного электролизера, она не включает некоторые другие важные рабочие параметры, которые могут сильно влиять на электролитический процесс. В более поздней работе сообщалось о модификации этой модели, которая включает влияние концентрации электролита и расстояния между электродом и мембраной [13].

Настоящая работа представляет собой шаг вперед и сообщает о новой вариации модели Уллеберга, включая влияние потока электролита, расстояния между электродом и мембраной, температуры и приложенной плотности тока.Используя эту модель и полученные экспериментальные результаты, касающиеся аспектов гидродинамики электролизной ячейки, можно рассчитать оптимальный расход в соответствии с плотностью тока.

Таким образом, он может установить операционную стратегию производства водорода, когда электролизер питается от фотоэлектрической солнечной энергии, используя условия оптимальной скорости потока для каждого значения электрического тока, чтобы минимизировать потребление энергии электролизной ячейкой в ​​каждый момент. Полученная модель была экспериментально подтверждена с низкой средней ошибкой.

2 Производство водорода щелочным электролизом воды

Электролиз щелочной воды — это разложение воды на водород и кислород путем пропускания электрического тока (постоянного тока) между двумя электродами, разделенными электролитом с высокой ионной проводимостью (обычно 30-35 мас.% Водного раствора КОН). Теоретическими основами, объясняющими этот процесс, являются термодинамика, кинетика реакций, протекающих на электродах, и различные явления переноса, участвующие в электролизе [7, 20].Общая реакция расщепления воды показана в уравнении (1):

.

ЧАС 2 О → ЧАС 2 + 1 2 О 2 (1)

Для возникновения этой реакции требуется минимальное напряжение, известное как обратимое напряжение (U _рев. ), что соответствует 1,23 В [ 1] при стандартных условиях (1 бар и 25 ° C).Это значение может быть получено из второго закона термодинамики и свободной энергии Гиббса ( Δ G ° = 273,2 кДж / моль в стандартных условиях).

Однако реальное напряжение элемента (U) всегда выше теоретического из-за необратимости. Таким образом, реальное напряжение ячейки может быть определено как сумма обратимого напряжения и перенапряжения ( η ), как показано в уравнении (2):

U знак равно U р е v + ∑ η (2)

Срок η — это сумма активационных, омических и концентрационных перенапряжений.Эти перенапряжения вызваны [ 13, 21]:

• —

  Перенапряжения активации: Относится к энергиям активации реакций образования водорода и кислорода на поверхности электродов.

• —

  Омические перенапряжения: Сумма электрических сопротивлений некоторых компонентов, таких как электроды, токосъемники и т.д .; и транспортное сопротивление, связанное с пузырьками газа, переносом ионов в электролите и удельным сопротивлением мембраны.

• —

  Концентрационные перенапряжения: Это связано с ограничениями массопереноса, возникающими на поверхности электродов при высоких токах.

Эти перенапряжения можно проанализировать с помощью поляризационной кривой электролизной ячейки, как показано на Рисунок 2. Кривая моделирует кинетику реакции электролиза воды и устанавливает наиболее подходящие значения напряжения и плотности тока. Обычно щелочные электролизеры работают от 400 до 600 мА / см. ² с напряжением около 2.0 В и температурах 60-80 ° С. Удельный расход энергии на производство водорода составляет от 4,1 до 4,5 кВт · ч / Н · м. ³ H ₂ при 450 мА / см ² [ 20].

Рисунок 2

Поляризационная кривая щелочного электролизера при различных температурах.

3 Испытания и методика экспериментов

3.1 Щелочной электролизер

На рис. 3 показана схема ячейки щелочного электролиза, использованной в данном исследовании.Ячейка заполнена 32 мас.% Водным раствором КОН (электролит), в котором ионы гидроксила (OH ^— ) отвечают за перенос ионов. Внутри ячейки находятся электроды, разделенные мембраной или диафрагмой, пропускающей поток ионов, но непроницаемой для газов. Все эксперименты проводились при атмосферном давлении с использованием анода Ni200 и катода SS316, поставляемых ElectroCell A / S. Активная площадь обоих электродов составляла 10 см ² . В качестве диафрагмы использовался Zirfon® Perl 500 UTP, поставляемый AGFA.

Рисунок 3

Щелочная электролизная ячейка: (а) схема, (б) детальное изображение ячейки, использованной в данном исследовании.

Согласно реакции, показанной в уравнении (1), пузырьки кислорода образуются на аноде, а водород образуется на катоде. Эти пузырьки растут, пока не покидают поверхность электрода и не поднимаются из электролизной ячейки. Количество генерируемого газа внутри электролизера количественно определяется объемной долей газа, которая определяется как отношение между объемом генерируемого газа и объемом электролитической камеры.Объемная доля газа должна быть небольшой, чтобы минимизировать омические перенапряжения на ячейке.

3.2 Методика эксперимента

Эксперименты проводились на установке для электролиза щелочной воды, схематически изображенной на Рисунке 4 [13], расположенной в одной из лабораторий Centro Nacional del Hidrógeno (www.cnh3.es). Система состоит из трех последовательно соединенных электролизеров (ELECTROCELL, Micro Flow Cell), источника питания постоянного тока (Elektro-Automatik, EA-PSI 6000), центробежного насоса с магнитным приводом (Plastomec, P-031-P), двух сепараторов кислорода. водород и система нагрева (Hillesheim, h400 DN12) для регулировки температуры электролита.Кроме того, на объекте есть различные устройства измерения и управления, которые контролируются системой SCADA (диспетчерский контроль и сбор данных), разработанной с помощью программного обеспечения NI LabVIEW. Источник питания постоянного тока может моделировать различные фотоэлектрические профили.

Рисунок 4

Экспериментальная установка щелочного электролиза, использованная в данном исследовании.

В настоящем исследовании различные скорости потока (естественная конвекция, 0.7, 1,4, 2,1 и 2,8 л / мин), температуры (30, 40, 50, 60 и 70 ° C) и расстояния электрод-мембрана (рамка толщиной 10, 4, 1,5 и 0,9 мм) были испытаны в соответствии с экспериментальным центром композитный дизайн [22]. В типичном испытании, как только расстояние между электродом и мембраной было зафиксировано, насос включался для равномерного распределения электролита по гидравлическому контуру с определенной скоростью потока. Затем была активирована система отопления. Когда температура была стабильной, включали источник питания, подавая на ячейки необходимый ток для построения поляризационных кривых.Для каждого значения тока отслеживались и регистрировались различные рабочие параметры.

4 Эмпирическое уравнение поляризационной кривой для щелочного электролизера

Моделирование — полезный инструмент для изучения производительности щелочного электролизера, особенно когда он работает от возобновляемых источников энергии. Как обсуждалось ранее, одна из наиболее подробных моделей была предложена Уллебергом [7], которая обеспечивает базовую форму поляризационной кривой (i-U) для данной рабочей температуры:

U знак равно U р е v + р ⋅ я + s ⋅ бревно ( т ⋅ я + 1 ) (3)

Согласно Уравнение (3), можно заметить, что напряжение «U» (В), необходимое для электролиза при определенной плотности электрического тока «i» (мА / см ² ) получается из суммы трех различных членов [ 7]: обратимое напряжение (U _rev ), омические перенапряжения (второй член уравнения) и активационные перенапряжения (третий член).Влияние этих перенапряжений учитывается введением коэффициентов «t» (m ² / A) и «s» (V) коррелируют с перенапряжениями активации и «r» ( Ом м ² ), что соответствует омическим перенапряжениям. Эти параметры определены в следующем подразделе. Термин «s» считается постоянным.

Однако математическая модель, предложенная Уллебергом, рассматривает температуру как единственную рабочую переменную, принимая другие параметры как константы, такие как скорость потока электролита или расстояние между электродами.Эти переменные изучались индивидуально другими авторами, демонстрируя их большое влияние на электролиз гидродинамики [9, 13, 23, 24]. Таким образом, некоторые авторы заметили, что принудительная конвекция улучшает процесс, поскольку снижает ограничения массопереноса и способствует переносу пузырьков [23, 25, 26]. Также другие авторы показали, что расстояние между электродами сильно связано с поведением двухфазных смесей внутри ячейки и, следовательно, с эффективностью [8, 9, 13, 24].

Чтобы получить модель, которая учитывает влияние расстояния между электродом и мембраной (d) и скорости потока электролита ( Q̇ ), в уравнение (3) были включены два новых параметра: «q» ( Ом м). ² ) и «z» ( Ом м ² ) соответственно. Поскольку оба параметра влияют на омические перенапряжения, их можно добавить к резистивному члену. Таким образом, было предложено новое уравнение (4):

U знак равно U р е v + ( р + q + z ) ⋅ я + s ⋅ бревно ⁡ ( т ⋅ я + 1 ) (4)

Чтобы определить эти параметры и проанализировать их влияние на электролизер, на экспериментальной установке, показанной на рис. Рисунок 4.В следующих подразделах показаны основные результаты.

4.1 Влияние температуры

Температура — один из важнейших рабочих параметров электролиза (см. Рисунок 2). Когда рабочая температура электролизной ячейки увеличивается, требуется меньше электроэнергии, поскольку энтальпия свободной реакции уменьшается, а общая кинетика и ионная проводимость электролита увеличиваются [13, 20]. Согласно модели, предложенной Уллебергом [7], влияние температуры (T) может быть определено уравнениями (5) и (6):

р знак равно р 1 + р 2 ⋅ Т (5)

т знак равно т 1 + т 2 Т + т 3 Т 2 (6)

Коэффициент омического сопротивления «r» линейно зависит от температуры, а «t» — квадратичный коэффициент [ 7].С другой стороны, «r ₁ »,« г ₂ »,« т ₁ »,« т ₂ »и« т ₃ ”- константы, которые могут быть получены из экспериментальных данных.

4.2 Влияние расстояния электрод-мембрана

Омические потери зависят от расстояния между электродом и мембраной (т. Е. Объема электролитической камеры). Это особенно актуально при высоких плотностях тока и низких расходах из-за низкой скорости удаления образующихся пузырьков.На рис. 5а показана поляризационная кривая при использовании различных расстояний между электродом и мембраной в режиме естественной конвекции [22]. Было отмечено, что при уменьшении расстояния с 10 мм до 1,5 мм требуемый потенциал для электролиза всегда уменьшался, поскольку проводимость электролита увеличивалась. Но когда расстояние продолжало сокращаться до 0,9 мм в испытаниях, проведенных в этом исследовании, напряжение увеличилось до значений, аналогичных тем, которые наблюдались на расстоянии 4 мм. Однако, когда использовалась принудительная конвекция (в данном случае 0.7 л / мин), напряжение всегда снижается при уменьшении расстояния (рисунок 5b).

Рисунок 5

Кривая поляризации при различных расстояниях между электродом и мембраной и расходах электролита: (а) естественная конвекция, (б) 0,7 л / мин [22].

Эти результаты предполагают, что существует оптимальное расстояние между электродом и мембраной, которое может изменяться в зависимости от потока [8]. Нагай и др. [9, 24] получили теоретическое уравнение для расчета оптимального расстояния между мембраной и электродом (d _opt ) электролизной ячейки в зависимости от температуры (T), высоты электрода (L), давления (p), Постоянная Фарадея (F), универсальная газовая постоянная (R) и подъем пузырьков газа (u _газ ):

d о п т знак равно 1 2 ⋅ 1 .271 ⋅ р ⋅ L F ⋅ п ⋅ Т ты грамм а s ⋅ я (7)

Использование Уравнение (7) оптимальное расстояние при естественной конвекции в данном исследовании было равно 2.19 мм при 400 мА / см ² (50 ° C, высота электрода 33 мм, 101325 Па). Но при использовании экспериментальных данных оптимум в этих условиях был равен 2,30 мм, поэтому значения, полученные с Уравнение (7) несколько ниже, чем полученные экспериментально ( Рисунок 8а). Однако теоретические значения позволяют приблизительно определить оптимальное расстояние. Затем, используя Уравнение (7) и в соответствии с экспериментальными результатами было предложено следующее уравнение для более точного моделирования влияния расстояния (d) на омические перенапряжения:

q знак равно q 1 + q 2 ⋅ d — d о п т (8)

Уравнение (8) показывает линейную зависимость между расстоянием между электродом и мембраной (d) с потенциалом, необходимым для электролиза, через константы «q ₁ »и« q ₂ ”.Если расстояние больше оптимального (d> d _opt ), потенциал уменьшается при уменьшении расстояния электрод-мембрана ( Рисунок 8а). Но если расстояние меньше d _opt , потенциал увеличивается, потому что добываемый газ удерживается вблизи электрода, когда используется естественная конвекция ( Рисунок 8а).

4.3 Влияние расхода электролита

Для анализа влияния вынужденной конвекции были проведены эксперименты при различных расходах электролита ( Q̇ ).Экспериментальные данные показали, что при большом расстоянии между электродом и мембраной (4 и 10 мм) кривая поляризации всегда была одинаковой, независимо от скорости потока (рис. 6а). Это показало, что в этих условиях принудительная конвекция не оказывала никакого влияния на электрический потенциал, необходимый для электролиза. Однако при использовании небольших расстояний между электродом и мембраной (0,9 и 1,5 мм) принудительная конвекция повышала эффективность за счет уменьшения омического перенапряжения пузырьков (рис. 6b) до достижения определенной скорости потока.Выше этого конкретного значения не наблюдалось никаких значительных улучшений (рис. 8b).

Рисунок 6

Кривая поляризации при различных расходах электролита и расстояниях: а — 4 мм, б — 1,5 мм [22].

По данным Takeuchi et al. [25] принудительная конвекция явно влияет на эффективность электролиза воды: когда скорость потока становится больше, эффективность электролиза воды становится выше.Этот эффект усиливается при повышении плотности тока, поскольку при малых расстояниях между электродом и мембраной объем электролитической ячейки очень ограничен, поэтому газ полностью заполняет все пространство во время электролиза. В этих условиях принудительная конвекция может быстро удалить пузырьки внутри ячейки. Однако в ячейках с большим расстоянием между электродами газ может эффективно распределяться по большему объему, поэтому новый электролит может постоянно достигать электродов.

Для моделирования характеристик, описанных выше, в этой работе было предложено уравнение (9):

z знак равно ( z 1 + z 2 ⋅ Q ˙ ) ⋅ бревно 1 + Q ˙ z 4 ⋅ z 3 d 2 (9)

В Уравнение (9) постоянные “z ₁ ”,“ z ₂ ”,“ z ₃ »и« z ₄ ”представляют влияние скорости потока электролита и расстояния между электродом и мембраной на омические перенапряжения.Период, термин ( z ₁ + z ₂ · Q̇ ) воспроизводит уменьшение напряжения, необходимое при увеличении потока электролита. Термин журнал (1+ Q̇ / z ₄ ) смягчает эффект принудительной конвекции при высоких расходах и отменяет Уравнение (9), если используется естественная конвекция, потому что параметр «z» равен нулю, поэтому омические перенапряжения будут определяться только «r» и «q».Ну наконец то z ₃ / г ² указывает, что поток электролита имеет меньшее влияние на потенциал, когда расстояние между электродами больше определенного значения.

5 Предлагаемая операционная стратегия

5.1 Разрешение модели

Результаты, полученные в этом исследовании, показали, что температура, скорость потока электролита и расстояние электрод-мембрана тесно связаны друг с другом и явно влияют на омические перенапряжения при электролизе, особенно при высоких плотностях тока.Математическая модель, представленная в уравнении (4), воспроизводит эти эффекты и поэтому является полезным инструментом для прогнозирования поляризационной кривой электролизера. Следовательно, преобразовав уравнения (5), (6), (8) и (9) в уравнение (4), полное уравнение модели показано ниже:

U знак равно U р е v + р 1 + р 2 ⋅ Т + q 1 + q 2 ⋅ | d — d о п т | + ( z 1 + z 2 ⋅ Q ˙ ) ⋅ бревно 1 + Q ˙ z 4 ⋅ z 3 d 2 ⋅ я + s ⋅ бревно т 1 + т 2 Т + т 3 Т 2 ⋅ я + 1 (10)

Таблица 1 содержит константы, использованные для моделирования.Программа MATLAB «Нелинейная модель» использовалась для определения этих коэффициентов. Этот класс позволяет выполнять нелинейную регрессию по константам Уравнение (10), взяв в качестве входных данных потенциал (В) и плотность тока (мА / см ² ) из каждого эксперимента в соответствии с процедурой, показанной на Рисунок 7 и основанный на методологии, описанной в ссылке [ 13]. Таблица 1

Коэффициенты, полученные для модели поляризационной кривой.

Коэффициенты		Значение	Блок
Оригинальная модель, предложенная Уллебергом	р 1	0,000329491987	Ом · м 2
	р 2	-0,000002153281	Ом · м 2 · ° C -1
	с	0.100601624017	В
	т 1	114609,51	м 2 · А -1
	т 2	−12397438,71	м 2 · ° C · A -1
	т 3	409431775.52	м 2 · ° C 2 · A -1
Модель, предложенная в этом исследовании (коэффициенты добавлены к исходной модели)	кв 1	-0,000 131093326	Ом · м 2
	кв 2	0,000017739286	Ом · м 2 · мм -1
	z 1	−0.730	Ом · м 2
	z 2	-1,462	Ом · м 2 · мин · л -1
	z 3	0,000075	мм 2
	z 4	1.000	л · мин -1

Рисунок 7

Методика определения коэффициентов предложенной математической модели.

5.2 Оптимальный расход

Входными переменными в уравнении (10) являются температура, расстояние между электродом и мембраной, скорость потока электролита и плотность тока. Однако в ячейке щелочного электролиза расстояние между электродом и мембраной является начальным параметром конструкции, предварительно установленным во время сборки электролизера.Таким образом, это расстояние не может быть изменено после изготовления электролизера. С другой стороны, рабочая температура обычно составляет 60-80 ° C. Следовательно, плотность тока и скорость потока — единственные переменные, которые следует учитывать, если остальные параметры фиксированы. Поскольку ток варьируется в зависимости от используемого источника питания (например, электрического тока, обеспечиваемого фотоэлектрической панелью в течение дня), ключевым параметром, который необходимо отрегулировать для оптимизации процесса, является скорость потока электролита.

Согласно экспериментальным данным, полученным в этом исследовании, принудительная конвекция в целом повышает эффективность процесса электролиза.Однако более высокий расход перекачки требует увеличения количества подаваемой энергии и, следовательно, общего снижения общей эффективности системы. Затем, согласно нашему исследованию, подходящим методом уменьшения потребности в энергии для накачки является оптимизация работы насоса путем управления потоком электролита в зависимости от плотности тока, подаваемого на электролизер. Этот подход очень хорошо согласуется с типичными колебаниями энергоснабжения ВИЭ, потому что можно определить оптимальные условия потока электролита в зависимости от солнечного излучения или скорости ветра, доступной в то время.

На рис. 8 показаны экспериментальные результаты, когда влияние расстояния между электродом и мембраной и скорости потока объединяются для одновременного анализа обоих эффектов на напряжение ячейки. На рис. 8а показано, что при большом расстоянии электрод-мембрана (d> d _opt ) использование принудительной конвекции не дает никаких преимуществ. В этой ситуации нет необходимости перекачивать электролит. Однако, когда расстояние между электродом и мембраной невелико (d opt ) и используется естественная конвекция, напряжение, необходимое для электролиза, увеличивается.Но если применяется достаточно высокое значение расхода, потенциал всегда уменьшается (в данном случае 1,4 л / мин). Рисунок 8b показывает этот эффект в большом диапазоне расходов электролита: на больших расстояниях поток никогда не влияет на напряжение; однако, когда расстояние невелико, увеличение скорости потока снижает напряжение до достижения значения скорости потока, за пределами которого любое увеличение не приводит к каким-либо значительным улучшениям в электролизе.

Рисунок 8

Напряжение ячейки при 50 ° C и различных экспериментальных условиях: (а) с различным расстоянием между электродом и мембраной; (б) с разными расходами электролита.

На основании результатов, показанных на рисунке 8, можно предложить оптимальную скорость потока ( Q̇ _opt ), чтобы минимизировать напряжение, необходимое для электролиза при каждом значении тока, с использованием насоса, который управляет электролитом. Таким образом, потребление энергии электролизной ячейкой может быть оптимизировано следующим образом, чтобы использовать только точный расход в любое время, как показано в уравнении (11):

Q о п т ⋅ ш час е п d ≥ d о п т ⇒ знак равно 0 л / мин я п а л л c а s е s ш час е п d < d о п т ⇒ знак равно 0 л / мин я ж ты S т ≥ ты грамм а s , о п т 2 W d φ ( ты грамм а s , о п т - ты S т ) я ж ты S т < ты грамм а s , о п т (11)

Где “d _opt ”рассчитывается по В уравнении (7) «W» — это ширина ячейки, а « ϕ ”- размерный параметр, полученный экспериментально из Рисунок 8.Этот параметр указывает, насколько необходимо увеличить расход при небольшом расстоянии между электродом и мембраной. С другой стороны, скорость Стокса (u _St ) — конечная скорость, при которой пузырек плотности « ρ _г ”и диаметр“ Ø _г «поднимется при средней плотности (30-35 мас.% КОН)» ρ _л ”и динамическая вязкость“ µ _L ”[ 23]. Следовательно, скорость Стокса — это скорость газа при естественной конвекции, и она не зависит от плотности тока или размера ячейки:

ты S т знак равно 1 18 ⋅ грамм ⋅ ∅ грамм 2 ⋅ ρ L — ρ грамм μ L (12)

Наконец, «u _{газ , opt} ”можно рассчитать, переписав Уравнение (7), когда рассматриваемое расстояние соответствует реальному расстоянию между электродом и мембраной после сборки электролизера.Таким образом, скорость газа будет пропорциональна исключительно плотности тока. На рисунке 9 показан теоретический подъем газа для расстояний между электродом и мембраной, использованных в этом исследовании, при различных плотностях тока. Пунктирной линией показана скорость подъема, рассчитанная с использованием Уравнение (12), то есть скорость газа при естественной конвекции, когда нет принудительного потока, который толкает электролит, и пузырьки поднимаются только за счет баланса сил между плавучестью и сопротивлением (около 1,05 см / с в этом исследовании).

Рисунок 9

Теоретический подъем газа при 50 ° C для различных расстояний и плотностей тока.

Согласно рисунку 9, когда расстояние составляет 10 мм или 4 мм, скорости Стокса достаточно для поддержания оптимальных условий потока для любой плотности тока (u _St > u _{газ , opt} ) избегая перекачки электролита.Этот факт подтвердил результаты, представленные на Рисунке 8. Однако, когда расстояние между электродом и мембраной составляет 1,5 мм, принудительная конвекция требуется, если плотность тока составляет 290 мА / см ² или выше, поскольку требуется более быстрое нарастание. Для 0,9 мм требуется принудительная конвекция, если плотность тока превышает 180 мА / см ² .

На рисунке 10 показана оптимальная скорость потока, рассчитанная по уравнению (11) для малых расстояний между электродом и мембраной: 0,9, 1,2 и 1,5 мм. Следует отметить, что при плотности тока ниже 150 мА / см ² принудительная конвекция не требуется ни в одном из этих случаев.Но если плотность тока увеличивается, необходимая скорость потока выше, особенно когда расстояние становится меньше.

Рисунок 10

Оптимальная скорость потока, рассчитанная в этом исследовании при 50 ° C для малых расстояний между электродом и мембраной и различных плотностей тока.

5.3 Оптимизированный подход к эксплуатации

С целью предложить оптимизированный рабочий подход, уравнения (10) и (11) должны быть объединены в каждый момент, следуя этой стратегии:

• —

  Сначала вычисляется «u _{gas , opt} » с использованием уравнения (7) с учетом реального расстояния между электродом и мембраной (d) электролизной ячейки для всего диапазона электрических токов, которые необходимо моделировать.

• —

  Во-вторых, «u _St » получается с помощью уравнения (12) со свойствами двухфазной смеси (плотность, вязкость и средний диаметр пузырька, который в этом исследовании оценивается в 180 мкм).

• —

  Позже, «d _opt » вычисляется по уравнению (7) с учетом u _газа = u _St для каждого электрического тока, который необходимо моделировать.

• —

  Затем, используя ранее рассчитанные данные (u _{gas , opt} , u _St и d _opt ), получается оптимальная скорость потока ( Q̇ _opt ) для каждого значения тока во всем диапазоне модели в соответствии с уравнением (11).

• —

  Наконец, введя значение оптимального расхода ( Q̇ _opt ) в уравнение (10) для каждого значения плотности тока, можно получить минимальное напряжение (при постоянных d и T).

6 Результаты модели и обсуждение

В этом разделе показаны результаты модели, соответствующие взаимодействию между расходом электролита и напряжением электролизной ячейки при работе с РЭС. Чтобы оценить реакцию модели с использованием возобновляемой энергии, был проведен динамический анализ с применением профиля тока, соответствующего фотоэлектрической панели, на основе профилей солнечной энергии в городе Пуэртольяно (Испания). Для проведения широкой оценки были выбраны два разных профиля (Рисунок 11):

• —

  Профиль , соответствующий солнечному дню , где освещенность описывает параболу с минимальными значениями на восходе и закате и максимальными значениями в солнечный полдень.

• —

  Профиль , соответствующий облачному дню , со значительной степенью изменчивости излучения из-за колебаний в моменты сильной облачности.

Для проведения испытаний с использованием возобновляемых источников энергии профили фотоэлектрических данных ( Рисунок 11) были введены в программу SCADA, которая управляет источником питания постоянного тока. Он подает ток на элементы в соответствии с рассматриваемым профилем солнечной энергии.Как показано в На рисунке 11 (справа) выходной ток источника питания был ступенчато изменен в результате дискретизации, выполненной системой SCADA.

Рисунок 11

Профиль солнечного излучения и рассмотренный отклик фотоэлектрической панели в солнечный и пасмурный день [13].

На рисунке 12 показана смоделированная производительность электролизера со щелочной водой в сочетании с ВИЭ, когда он работает с принудительной и естественной конвекцией для обоих профилей фотоэлектрических систем (солнечный и облачный) при 50 ° C и расстоянии между электродом и мембраной, равным 0.9 мм. В случае солнечного дня (рис. 12а) эффективность процесса электролиза увеличивается при перекачивании электролита, что хорошо видно при более высоких значениях тока (более высокая объемная доля газа). Эффект принудительной конвекции при подаче фотоэлектрической энергии в пасмурный день показан на Рисунке 12b. Также в этом случае требуемый потенциал для высокого значения тока ниже при включении насоса. Более того, замечено, что принудительная конвекция незначительно уменьшила типичные колебания профиля PV в пасмурный день, что могло бы ограничить некоторые негативные эффекты, связанные с комбинацией ВИЭ, такие как образование взрывоопасной смеси или деградация материалов, среди прочего.

Рисунок 12

Зависимость напряжения элемента от времени относительно предложенного профиля PV при различных расходах для: (a) солнечного дня, (b) облачного дня.

С другой стороны, результаты, представленные на рисунке 12, также демонстрируют удобство оптимизированной стратегии, описанной в этом исследовании: когда скорость потока постоянна (например, 0,4 л / мин), потенциал такой же, как и при естественной конвекции при слабые течения (восход и закат).Следовательно, перекачка электролита не дает никаких преимуществ при электролизе, поскольку в этих случаях оптимизируется нулевой поток. Однако, когда плотность тока высока, перекачка потока является полезной стратегией для снижения перенапряжения. При этом условии использование оптимальной скорости потока для каждого значения электрического тока позволяет всегда достичь минимального потенциала электролиза (Рисунок 12). Фактически, при высоких плотностях тока требуемый расход превышает 0,4 л / мин.

Наконец, чтобы гарантировать точность и достоверность предложенной модели, она была экспериментально подтверждена, получив отличную корреляцию между экспериментальными и расчетными результатами, что подтверждается ошибкой средней относительной абсолютной разницы (MRAD), рассчитанной в соответствии с уравнением (13 ).Ошибка была менее 0,7%. На рисунке 13 показана диаграмма четности экспериментальных и модельных результатов напряжения ячейки, использованных в этой статье. Наблюдаемые тенденции для различных операционных параметров согласуются с другими исследованиями [1, 7, 20, 24].

M р А D е р р о р знак равно 1 N ∑ я знак равно 1 N U м о d е л — U е Икс п U е Икс п (13)

Рисунок 13

График соотношения модели и результатов экспериментального напряжения.

7 Выводы

В настоящем исследовании представлена ​​математическая модель, учитывающая влияние потока электролита, расстояния между электродом и мембраной, температуры и плотности тока. Разработанная модель способна воспроизводить кривую поляризации щелочного электролизера в различных условиях эксплуатации при питании от возобновляемых источников энергии. Это полуэмпирическая модель, основанная на экспериментальных данных. С помощью этой модели можно установить методологию работы, основанную на аспектах гидродинамики для производства водорода, изменяя скорость потока электролита, когда электролизер питается от фотоэлектрической солнечной энергии, чтобы минимизировать потенциал, необходимый для электролиза.

Однако, хотя в этом исследовании демонстрируется положительный эффект принудительной конвекции и полезность разработанной модели, необходимо учитывать дополнительные факторы, чтобы проанализировать предложенную стратегию. В настоящем исследовании рассматривается только потребление энергии ячейкой щелочного электролиза. Тем не менее, когда для перекачивания электролита используется насос, во всем процессе требуется больше энергии, поэтому общее потребление энергии увеличивается. Этот факт может ограничить использование насоса, поскольку он будет запускаться при более высоких значениях тока, чем рассчитанные в этой работе.Для определения этих значений необходимо провести новое экономическое и энергетическое исследование, чтобы установить, в какой момент снижение потенциала электролиза компенсирует увеличение потребления энергии насосом при его включении.

Работа, описанная в этой статье, была разработана в рамках проекта Experimentación , Simulación y Validación de Celdas de Electrólisis Alcalina para Producción de Hidrógeno mediante Energías Renovables (EXSIVA) на объектах Центрального центра 3 2014-2016 гг., Чьи финансовые спонсоры: Ministerio de Economía , Industria y Competitividad (MINECO, Испания), Junta de Comunidades de Castilla — La Mancha (JCCM, Испания) и Европейский фонд регионального развития ( ЕФРР).

AWE

Электролиз щелочной воды

CAES

техники хранения сжатого воздуха

г

Расстояние электрод-мембрана, [мм]

d _opt

оптимальное расстояние электрод-мембрана, [мм]

D

Расстояние электрод-электрод, [мм]

F

Постоянная Фарадея, [96485 C / моль]

i

плотность тока, [мА / см ² ]

MRAD

средняя относительная абсолютная разница

q

параметр, связанный с омическим сопротивлением (расстояние электрод-мембрана), [ Ом · м ² ]

Q̇

Расход электролита, [л / мин]

Q̇ _opt

Оптимальный расход электролита, [л / мин]

р

параметр, связанный с омическим сопротивлением, [ Ом · м ² ]

R

универсальная газовая постоянная [8.314 Дж / (К · моль)]

РЭС

возобновляемые источники энергии

с

Коэффициент перенапряжения на электродах, [В]

SCADA

диспетчерский контроль и сбор данных

т

Коэффициент перенапряжения на электродах, [м ² / A]

У _газ

Скорость подъема пузыря, [мм / с]

u _{газ , opt}

оптимальная скорость подъема пузыря, [мм / с]

у _ул

Скорость Стокса, [мм / с]

U _рев.

Напряжение обратимое, [В]

z

параметр, связанный с омическим сопротивлением (расход электролита), [ Ом · м ² ]

µ _л

динамическая вязкость [Па · с]

ϕ

— размерный параметр, связанный с расходом при малом расстоянии

Список литературы

[1] Töpler J., Леманн Дж., Водород и топливные элементы — технологии и перспективы рынка, 1-е изд., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Springer, 2016 Поиск в Google Scholar

[2] Болл М., Витчел М., Будущее водорода. возможности и проблемы, Int. J. Hydrogen Energy, 2009, 34 (2), 615-627. Поиск в Google Scholar

[3] Плетчер Д., Ли X., Перспективы щелочных водных электролизеров с нулевым зазором для производства водорода, Int. J. Hydrogen Energy, 2011, 36 (23), 15089-15104 Искать в Google Scholar

[4] Ulleberg Ø., Наккен Т., Эте А., Демонстрационная система ветра / водорода в Утсире в Норвегии, Int. J. Hydrogen Energy, 2010, 35 (5), 1841-1852. Искать в Google Scholar

[5] Санчес М., Манявакас Г., Олаварриета Дж. М., Фунес К., ПРОЕКТ RENOVAGAS: получение синтетического природного газа из возобновляемых источников энергии , In: 5 ^th Иберийский симпозиум по водороду, топливным элементам и усовершенствованным батареям (5-8 июля 2015 г., Тенерифе, Испания), Университет Ла-Лагуна, 2015 г. Поиск в Google Scholar

[6] Идальго Д., Martín JJ, Merino C., Almacenamiento de energía en ciclo de hidrógeno para sistemas aislados, In: Libro de Comunicaciones del 2 ^nd Congreso Smartgrids (27-28 октября 2014 г., Мадрид, Испания), Grupo Tecma Red, 2014, 95 -99 Поиск в Google Scholar

[7] Уллеберг О., Моделирование современных щелочных электролизеров: система системного моделирования, Int. J. Hydrogen Energy, 2003, 28 (1), 21-33 Поиск в Google Scholar

[8] Дивизек Дж., Шмитц Х., Биполярная ячейка для усовершенствованного щелочного электролиза воды, Int.J. Hydrogen Energy, 1982, 7 (9), 703-710. Поиск в Google Scholar

[9] Нагаи Н., Такеучи М., Накао М., Влияние пузырьков между электродами на эффективность электролиза щелочной воды, В: Материалы 4-го Тихоокеанского симпозиума по визуализации и изображению потока (3-5 июня 2003 г., Шамони, Франция), Тихоокеанский центр инженерии термических жидкостей, 2003 г. Поиск в Google Scholar

[10] Мазлуми С.К., Сулейман Н., Факторы влияния воды электрическая эффективность электролиза, Обзоры возобновляемой и устойчивой энергии, 2012 г., 16 (6), 4257-4263 Искать в Google Scholar

[11] Griesshaber W., Sick F., Simulation des Wasserstoff-Sauerstoff-Systems mit PV-anlage für das energieautarke Solarhaus. Abteilung Systemtechnik / Simulation, Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Фрайбург-им-Брайсгау, 1991 г. Поиск в Google Scholar

[12] Мёрнер С.О., Сезонное хранение солнечной энергии для самодостаточных зданий с акцентом на водородные системы, докторская диссертация, Норвежский институт Technolgy, Тронхейм, Норвегия, 1995 г. Поиск в Google Scholar

[13] Amores E., Rodríguez J., Каррерас К., Влияние рабочих параметров при моделировании электролизеров щелочной воды для производства водорода, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39 (25), 13063-13078 Поиск в Google Scholar

[14] Диегес П.М., Урсуа А., Санчис П., Сопена К., Гуэльбензу Э., Гандиа Л.М., Тепловые характеристики промышленный щелочной водный электролизер: экспериментальные исследования и математическое моделирование, Int. J. Hydrogen Energy, 2008, 33 (24), 7338-7354 Искать в Google Scholar

[15] Валенсиага Ф., Евангелиста К.А., Проектирование управления для автономной ветровой системы производства водорода, Int. J. Hydrogen Energy, 2010, 35 (11), 5799-5807 Поиск в Google Scholar

[16] Đukić A., Firak M., Производство водорода с использованием щелочного электролизера и фотоэлектрического модуля, Int. J. Hydrogen Energy, 2011, 36 (12), 7799-7806. Поиск в Google Scholar

[17] Карапеллучи Р., Джордано Л., Моделирование и оптимизация острова производства энергии на основе возобновляемых технологий и систем хранения водорода, Int. .J. Hydrogen Energy, 2012, 37 (3), 2081-2093 Искать в Google Scholar

[18] Мори М., Мржляк Т., Дробнич Б., Секавчник М., Интегральные характеристики производства водорода в щелочных электролизерах, Стройнишки vestnik — Journal of Mechanical Engineering, 2013, 59 (10), 585-594 Поиск в Google Scholar

[19] Халильнеджад А., Риахи Г.Х., Исследование производительности гибридной фотоэлектрической системы с целью максимального производства и хранения водорода с использованием усовершенствованного щелочного электролизера, Energ Convers Manage, 2014, 80, 398-406. Поиск в Google Scholar

[20] Gandía L.М., Арзаменди Г., Диегес П.М., Возобновляемые водородные технологии: производство, очистка, хранение, применение и безопасность, 1-е изд., Elsevier BV, Elsevier, 2013 г. Поиск в Google Scholar

[21] Цзэн К., Чжан Д. , Последние достижения в области электролиза щелочной воды для производства и применения водорода, Prog Energy Combust Sci, 2010, 36 (3), 307-326. Поиск в Google Scholar

[22] Amores E., Rodríguez J., Oviedo J., de Лукас-Консуэгра А., Влияние гидродинамического поведения на омические перенапряжения электролизера со щелочной водой, В: Протоколы 21 ^st Всемирной конференции по водородной энергии (13-16 июня 2016 г., Сарагоса, Испания), Испанская ассоциация водорода, 2016, 910-912 Искать в Google Scholar

[23] Schillings J., Доче О., Дезер Дж. Моделирование пузырькового потока, генерируемого электрохимическим путем, в условиях выталкивающей и принудительной конвекции, Int. J. of Heat and Mass Transfer, 2015, 85, 292-299 Поиск в Google Scholar

[24] Нагаи Н., Такеучи М., Кимура Т., Ока Т., Существование оптимального пространства между электродами при производстве водорода путем электролиз воды, Int. J. Hydrogen Energy, 2003, 28, 35-41. Поиск в Google Scholar

[25] Такеучи М., Фуртуа Т., Эффективность и двухфазный поток электролиза щелочной воды при принудительной конвекции электролита, В: Annals of the Сборка для 13 ^{-й Международной конференции по теплообмену} (13-18 августа 2006 г., Сидней, Австралия), Begell House Inc., 2006 г. Поиск в Google Scholar

[26] Нагаи Н., Такеучи М., Фуртуа Т., Влияние пузырьков между электродами на эффективность электролиза щелочной воды при принудительной конвекции электролита, В: Труды 16 ^-й Всемирной конференции по водородной энергетике (13-16 июня 2006 г., Лион, Франция), Association Francaise pour l’Hydrogene et les Piles a Combustible, 2006, 100-109 Искать в Google Scholar

Снижение стоимости водорода и распространение его производства — pv magazine USA

Шмидт стремится достичь того, что многие до него пытались и не смогли сделать.Он хочет создать систему, производящую водород для собственного потребления и для использования в качестве сезонного хранилища. Целевые затраты являются многообещающими при условии наличия дешевой экологически чистой электроэнергии для питания электролизеров.

Шмидт — не единственный, кто совершил эту революцию. В стартовых блоках находятся несколько малых и крупных компаний. Центральное или распределенное энергоснабжение — это проблема не только в электроэнергетике. Также ведутся оживленные дискуссии о том, какой подход более перспективен для производства зеленого водорода.

Потенциал экономии

В принципе, производство водорода простое. Электролиз применяется примерно с 1800 года. Метод, известный как щелочной электролиз, используется в коммерческих целях с середины 20 века. В нем используется ячейка с катодом, анодом и электролитом на основе раствора едких солей. При подаче напряжения вода разлагается в щелочном растворе. На катоде образуется водород, а на аноде — кислород. Между двумя электродами находится мембрана, которая пропускает только отрицательно заряженные ионы кислорода и водорода (ОН-), разделяя, таким образом, газы.Во время реакции выделяется тепло, которое, если использовать его, увеличивает ее эффективность. Затем полученный водород необходимо очистить, высушить и, при необходимости, сжать.

Электролит является жидким, это означает, что для щелочного электролизера требуется дополнительное периферийное оборудование, такое как насосы для электролита, промывка и подготовка раствора. Хотя в настоящее время это самый дешевый из всех процессов электролиза, он требует относительно высоких затрат на техническое обслуживание.

Гораздо более современный метод электролиза, в котором используется протонообменная мембрана (PEM), отличается.Это полностью изменяет принцип топливного элемента и не требует жидкого электролита. Вода продавливается через пакет из двух электродов и полимерную мембрану. Он позволяет проходить только положительно заряженным протонам водорода. Платина обычно используется в качестве катализатора в ячейке. Тонкие ячейки, состоящие из мембраны и пары электродов, могут быть собраны в стопки для достижения лучшей производительности. По сравнению со щелочным электролизом, электролиз PEM имеет то преимущество, что он быстро реагирует на колебания, типичные для возобновляемой энергетики.Эта технология часто используется в распределенных системах, поскольку оборудование не требует обслуживания и подает высококачественный газ.

Более новый вариант — электролиз с анионообменной мембраной (АЭМ), используемый Enapter. Как и щелочной электролиз, этот метод позволяет отрицательно заряженным ионам (ОН-) проходить через мембрану. AEM позволяет избежать использования дорогостоящих драгоценных металлов, необходимых в качестве катализаторов при электролизе PEM. Этот процесс также эффективен в меньшем масштабе, что делает его подходящим для децентрализованных приложений.

Высокотемпературный электролиз использует несколько иную концепцию. Керамические мембраны, которые проводят ионы при очень высоких температурах, разделяют перегретый пар при температуре от 600 до 800 градусов Цельсия на кислород и водород. Поскольку большая часть энергии, необходимой для этого процесса, уже обеспечивается за счет тепла, потребность в электроэнергии ниже. Когда используется промышленное отходящее тепло, которое стоит мало или ничего не стоит, этот метод может быть очень эффективным. Эффективность, измеренная с точки зрения потребляемой электроэнергии, выше, чем у других методов.

Ценовая стратегия

Однако в конечном итоге эффективность важна лишь косвенно; самое главное — это стоимость. Общая стоимость включает стоимость электролизера, включая техническое обслуживание и замену изношенных мембран, стоимость электроэнергии, используемой для процесса, и любые последующие расходы на сушку, очистку и сжатие газа, а также транспортировку.

Исследование, проведенное в 2018 году Fraunhofer ISE и IPA, оценило инвестиционные затраты на электролизер PEM, который производит один стандартный кубический метр водорода за один час, примерно в 7600 долларов.Тем временем, однако, цены упали до 4900-6000 долларов, говорит Том Смолинка, руководитель отдела химического хранения энергии Fraunhofer ISE и один из авторов исследования. Щелочные электролизеры, которые на момент исследования стоили 3300 и 6000 долларов, теперь, как говорят, значительно дешевле в Китае. На момент проведения исследования практически не существовало готовых к продаже приложений для высокотемпературного электролиза.

Смолинка оценивает, что производство мембранно-электродного блока — сердца электролизной ячейки PEM — составляет от 60% до 70% от общей стоимости, в то время как затраты на чистые материалы, включая дорогие драгоценные металлы, составляют только 30%. до 40%.Кроме того, он добавляет, что силовая электроника, используемая в больших электролизерах, в настоящее время еще не является массовым продуктом, а скорее является единичным продуктом для конкретных клиентов. Соответственно, цены, вероятно, резко упадут, когда объемы продаж увеличатся. По словам Смолинки, до сих пор большинство электролизеров производилось в рамках рабочих процессов с небольшой автоматизацией или даже полностью вручную. «Высокоавтоматизированное производство, особенно для компонентов элементов, которое уже существует для топливных элементов с PEM, не будет проблемой с технической точки зрения.Однако он добавляет, что текущий низкий уровень рыночного спроса не позволяет производителям делать необходимые инвестиции.

Инвестиционные затраты

Ряд участников рынка работают над снижением инвестиционных затрат. Примером этого является совместное предприятие ITM Power и Linde, которое планирует открыть в этом году полуавтоматический завод в Шеффилде, Великобритания, для производства 1 ГВт мощности электролиза в год, в первую очередь для многомегаваттных проектов, таких как один в Кельне.Другие известные компании также заявили о крупных проектах и ​​расширяют производство. Например, NEL в настоящее время готовится к реализации проекта мощностью 20 МВт в Дании, а Hydrogenics готовится к запуску небольшого проекта в Канаде. Наряду с размером проекта улучшается и производительность стека. В настоящее время обычно доступны стеллажи с входной электрической мощностью 400 кВт. Вскоре некоторые игроки захотят увеличить эту мощность до 1 МВт. Масштабирование размера должно снизить затраты.

Enapter использует другой подход.Итальянско-немецкая компания твердо привержена созданию небольшого стандартизованного продукта, который можно производить в еще больших количествах, а затем при необходимости устанавливать бок о бок. Основатель и генеральный директор Шмидт проводит параллели с компьютерным миром, чтобы проиллюстрировать правдоподобность этой концепции. Распределенные персональные компьютеры в значительной степени заменили мэйнфреймы, потому что большие объемы производства сделали их дешевле в производстве, чем небольшое количество мэйнфреймов. Аналогичным образом ожидается, что продукт Enapter снизит затраты по сравнению с большими центральными электролизерами, которые не производятся в промышленных масштабах.

Обсуждение вопроса о том, достигается ли цель быстрее за счет масштабирования до более крупных единиц в меньших количествах или путем масштабирования до большего количества более мелких единиц, распространено во многих отраслях. Скептики говорят, что последний подход не так перспективен для электролизеров по физическим причинам. В отличие от компьютеров, производительность электролизеров не увеличилась бы во много раз, если бы они были уменьшены в размерах. С другой стороны, с помощью электролиза AEM возможное устранение драгоценных металлов может сделать распределенную генерацию жизнеспособной для массового рынка.

При текущей цене 9800 долларов устройство подает полкубометра водорода в час или один килограмм водорода каждые 24 часа. При целевом сроке службы 30 000 часов, агрегат в настоящее время достигает цены 7,30 долл. США / кг, что соответствует 0,19 долл. США / кВтч (теплотворная способность). Эти цифры, однако, не включают цену 54 кВт / ч электроэнергии, необходимой для производства 1 кг водорода с помощью электролиза AEM. Если предположить, например, что входная электроэнергия стоит 0 долларов.055 / кВтч, это добавляет еще 3 доллара за килограмм, или 0,075 доллара за киловатт-час водорода, к стоимости производства.

Как только автоматизированное производство на заводе в Пизе запустится, как и планировалось через четыре года, электролизер станет настолько дешевым, что цель в 1,64 доллара за килограмм за вычетом затрат на электроэнергию будет достигнута, говорит Шмидт. На этом этапе разработчики надеются, что будет целесообразно использовать устройство не только для распределенной генерации, но и для сборки более крупных агрегатов, как в компьютерном примере.Установка 416 блоков позволит достичь мощности 1 МВт.

Источник неопределенности

Срок службы устройств включен во все сметы затрат, которые, как и в случае любой новой технологии, нелегко доказать. Например, невозможно проверить, действительно ли электролизер AEM прослужит 30 000 часов, а электролизер PEM — от 60 000 до 80 000 часов, как заявляют производители. Тем не менее, Шмидт из Enapter и исследователи Тома Смолинки согласны с тем, что клетки AEM и PEM практически не стареют с течением времени.Кроме того, мало имеет значения, работает ли электролизер при полной нагрузке или только при половинной мощности.

В конечном счете, сама мембрана — не единственный фактор, определяющий срок службы. «Наибольшее влияние на срок службы оказывает качество воды», — говорит Смолинка. Загрязнения накапливаются в мелких порах мембраны, которые блокируют их или, в случае солей, образуют мостики.

Еще одним фактором, склеивающим электролизеры, является температура. Чрезмерные нагрузки приводят к повышению температуры во всей системе, а электроды с неравномерным покрытием могут создавать горячие точки.

Areva h3Gen решит эту проблему в течение следующих трех лет. В исследовательском проекте Industriepark Höchst компания использует электролизер PEM мощностью 1 МВт. В дополнение к производству водорода он также будет обеспечивать первичную регулирующую мощность в будущем, что означает, что иногда он будет работать с удвоенной мощностью, а в других случаях — только на части своей мощности 250 кВт. Если концепция окажется осуществимой, она не только откроет дополнительный доход операторам электролизных заводов, но также может помочь стабилизировать электросеть.

Согласно расчетам затрат, проведенным менеджером проекта Лукасом Буземейером, целевые затраты Enapter могут быть достигнуты уже сегодня с помощью централизованного подразделения Areva h3Gen. При непрерывной эксплуатации установки — 8000 часов работы в год в течение 20 лет — цена на водород в размере 3,90 доллара США за кг достижима при цене электроэнергии 0,055 доллара США за кВт · ч. Эта оценка предполагает, что стек PEM будет заменен один раз через 10 лет.

Значительное сокращение

Поскольку затраты на электроэнергию являются решающим фактором в общих затратах на генерацию, нельзя разделить технологию и ее использование.Любой, кто покупает зеленую электроэнергию из сети, будь то через PPA или в качестве сертифицированной зеленой электроэнергии, должен учитывать плату за подключение, сборы и надбавки к цене на электроэнергию, какими бы ни были правовые нормы. Однако электролизер можно подключать напрямую к существующей газовой или водородной сети, как в случае с Shell и Areva h3Gen в Хёхсте.

Операторы, которые производят водород с помощью небольших солнечных систем, могут использовать тепло и, таким образом, повысить экономическую эффективность, а также могут использовать топливо непосредственно для отопления или для заправки транспортных средств без необходимости его транспортировки.Такие производители также экономят часть сборов и надбавок на цене электроэнергии и снижают нагрузку на сеть.

В принципе, однако, инвесторы, которые планируют использовать только солнечную энергию для работы электролизера, должны будут согласиться с более длительным периодом окупаемости, поскольку энергия доступна только в течение небольшого количества часов полной нагрузки.

Значительного снижения потребления электроэнергии для электролиза можно достичь с помощью высокотемпературных устройств, которые имеют наивысший электрический КПД от 80% до 90%.