電解水制氫的原理

(完整word電解水制氫的原理一、氫氣的工業(yè)制法在工業(yè)上通常承受如下幾種方法制取氫氣:一是將水蒸氣通過灼熱的焦炭〔稱為碳復(fù)原法〕，得到純度為7597煤氣中提取氫氣，得到的氫氣純度也較低；第四種方法就是電解水法,制得的氫氣純度可高達(dá)99％以上，這是工業(yè)上制備氫氣的一種重要方法。在電解氫氧化鈉〔鉀〕溶液時(shí)，陽極上放出氧氣，陰極上放出氫氣。電解氯化鈉水溶液制造氫氧化鈉時(shí),也可得到氫氣。對用于冷卻發(fā)電機(jī)的氫氣的純度要求較高，因此，都是承受電解水的方法制得.二、電解水制氫原理所謂電解就是借助直流電的作用，將溶解在水中的電解質(zhì)分解成物質(zhì)的過程.1、電解水原理在一些電解質(zhì)水溶液中通入直流電時(shí)，分解出的物質(zhì)與原來的電解質(zhì)完全沒有關(guān)系,被分解的是作為溶劑的水，原來的電解質(zhì)仍舊留在水中.例如硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀等均屬于這類電解質(zhì).在電解水時(shí)，由于純水的電離度很小，導(dǎo)電力量低,屬于典型的弱電解質(zhì)，所以需要參加前述電解質(zhì)，以增加溶液的導(dǎo)電力量，使水能夠順當(dāng)?shù)仉娊獬蔀闅錃夂脱鯕?。氫氧化鉀等電解質(zhì)不會(huì)被電解，現(xiàn)以氫氧化鉀為例說明：〔1〕氫氧化鉀是強(qiáng)電解質(zhì)，溶于水后即發(fā)生如下電離過程：于是，水溶液中就產(chǎn)生了大量的KOH—.〔2)金屬離子在水溶液中的活潑性不同，可按活潑性大小挨次排列如下：K＞Na＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Cu＞Hg＞Ag＞Au在上面的排列中，前面的金屬比后面的活潑。(完整word在金屬活潑性挨次中，越活潑的金屬越簡潔失去電子，否則反之。從電化學(xué)理論上看，容易得到電子的金屬離子的電極電位高，而排在活潑性大小挨次前的金屬離子，由于其電極電位低而難以得到電子變成原子。H+的電極電位 =—1。71V,而K+的電極電位 =—2.66V，所溶液中。KOHK+四周則圍圍著極性的K+的作用使水分子有了極性方向。在直流電作用下，K+帶H+就會(huì)首先得到電子而成為氫氣。2、水的電解方程8—3。圖8-3 堿性水溶液的電解(1〕陰極反響。電解液中的H+〔水電離后產(chǎn)生的)受陰極的吸引而移向陰極,承受電子而析出氫氣，其放電反響為：〔2)陽極反響.電解液中的OH-受陽極的吸引而移向陽極，最終放出電子而成為水和氧氣，其放電反響為：(完整word陰陽極合起來的總反響式為：電解KOHKOH只起運(yùn)載電荷的作用。三、電解電壓在電解水時(shí),加在電解池上的直流電壓必需大于水的理論分解電壓，以便能抑制電解池中的各種電阻電壓降和電極極化電動(dòng)勢。電極極化電動(dòng)勢是陰極氫析出時(shí)的超電位與陽極氧極出時(shí)的超U式中U0——水的理論分解電壓,V；I——電解電流，A;R——電解池的總電阻，Ω；——?dú)涑娢唬琕;——氧超電位，V。從能量消耗的角度看，應(yīng)當(dāng)盡可能地降低電解電壓。下面爭論影響電解電壓的幾個(gè)因素：水的理論分解電壓UO。熱力學(xué)的爭論得出：原電池所做的最大電功等于反響處由能變的削減，即：式中 —-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電池反響的吉布斯自由能變，J/mol;n—-反響中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；F-—法拉第常數(shù)，96500C/mol；E0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反響的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢，V.在生成水的化學(xué)反響中，自由能變?yōu)椤?74。4kJ/mol，即(完整word2H2〔g〕+O2〔g〕=2H2O(1)這是一個(gè)氧化復(fù)原反響，在兩個(gè)電極上的半反響分別為：O2+4H++4e=2H2O2H2=4H++4e電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=4，由 得—474。4×103=-—4×96500E0可見,在0。1MPa和25℃時(shí)，U0=1.23V；它是水電解時(shí)必需供給的最小電壓,它隨溫度的上升1043mV.氫、氧超電位和。影響氫、氧超電位的因素很多。首先，電極材料和電極的外表狀態(tài)對它的影響較大，如鐵、鎳的氫超電位就比鉛、鋅、汞等低,鐵、鎳的氧超電位也比鉛低。與電解液接觸面積越大或電極外表越粗糙，產(chǎn)生的氫、氧超電位就越小。其次,電解時(shí)的電流密度增大，超電位會(huì)隨之增大，溫度的上升也會(huì)引起超電位的增大。此外，超電位還與電解質(zhì)的性質(zhì)、濃度及溶液中的雜質(zhì)等因素有關(guān)，如在鎳電極上，稀溶液的氧超電位大于濃溶液的氧超電位。為了降低氫、氧超電位，可以實(shí)行一些方法。如提高工作溫度及承受適宜的電極材料等。此外，適當(dāng)增大電極的實(shí)際外表積或使電極外表粗糙,都可在不同程度上降低電極電阻和超電位，從而到達(dá)降低工作電壓的目的。〔3)電阻電壓降。電解池中的總電阻包括電解液的電阻、隔膜電阻、電極電阻和接觸電阻等，其中前兩者為主要因素。隔膜電阻電壓降取決于材料的厚度和性質(zhì)。承受一般的石棉隔膜，電流密度為2400A/m2時(shí),隔膜電阻上的電壓降約為025~0.30V，當(dāng)電流密度再增大時(shí)，該電壓降0.5V(完整word其電阻值小以外,還要求它在電解電壓下不分解；不因揮發(fā)而與氫、氧一并逸出;對電解池材料無pH多數(shù)的電解質(zhì)在電解時(shí)易分解，不宜在電解水時(shí)承受。硫酸在陽極生成過硫酸和臭氧，腐蝕性很強(qiáng)，不宜承受。而強(qiáng)堿能滿足以上要求，所以工業(yè)上一般都以KOHNaOHKOH的導(dǎo)電性能比NaOHNaOHNaOHKOH所以，為節(jié)約電能，已經(jīng)普遍趨向承受KOH此外，在電解水的過程中,電解液中會(huì)含有連續(xù)析出的氫、氧氣泡，使電解液的電阻增大。電解液中的馬泡容積與包括氣泡的電解液容積的百分比稱作電解液的含氣度.含氣度與電解時(shí)的電流密度，電解液粘度、氣泡大小、工作壓力和電解池構(gòu)造等因素有關(guān)。增加電解液的循環(huán)速度和工作壓力都會(huì)削減含氣度；增加電流密度或工作溫度上升都會(huì)使含氣度增加。在實(shí)際狀況下,電35％時(shí)，2降低工作電壓有利于削減電能消耗，為此應(yīng)實(shí)行有效措施來降低氫、氧超電位和電阻電壓降。一般狀況下，在電流較小時(shí)，前者是主要因素；而在電流較大時(shí),后者將成為主要因素。電解槽在高工作壓力下運(yùn)行時(shí),電解液含氣度降低，從而使電解液電阻減小,為此已經(jīng)研制出可在3MPa溶解度，使它們通過隔膜重生成水，從而降低電流效率。提高工作溫度同樣可以使電解液電如鎳的粉末冶金薄片和鈦酸鉀纖維與聚四氟乙烯粘結(jié)成的隔膜材料，它們可以在150℃的堿液中使用。為了降低電解液的電阻,還可以實(shí)行降低電解池的電流密度，加快電解液的循環(huán)速度，適當(dāng)減小電極間距離等方法。四、制氫設(shè)備的制氫量衡算和電能消耗1、法拉第定律

(完整word版)電解水制氫的原理電解水溶液制氫時(shí)，在物質(zhì)量上嚴(yán)格遵守法拉第定律：各種不同的電解質(zhì)溶液，每通過96485。309C1mol1mol1mol。F=96485.309C/mol稱為法拉第常數(shù)，它表示每摩爾電子的電量。在一般計(jì)算中，可以近似取F=96500C/mol。依據(jù)拉第定律，可以得到下式：M=kIt=kQ式中 k——表示1h內(nèi)通過1A電流時(shí)析出的物質(zhì)量，g/〔A·h〕;I——電流，A；h；m——電極上析出的物質(zhì)的質(zhì)量，g；Q——通過電解池的電荷量,A·h。由于庫侖單位很小,所以工業(yè)上常用的電荷量單位是安培·小時(shí),它與法拉第常數(shù)F的關(guān)系是：1F=96500/3600=26.8 A·h2、制氫量衡算從法拉第定律可知，26.8A·h電荷量能產(chǎn)生0。5mol的氫氣，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0.5mol氫氣占有11。2L1A·h〔A·h〕假設(shè)考慮電流效率，那么每臺(tái)電解槽每小時(shí)的實(shí)際產(chǎn)氫量m3式中 m-—電解槽的電解小室數(shù)，m=I——電流，A；t——通電時(shí)間，h；

應(yīng)為應(yīng)為：-—電流效率，%。同樣地，可以計(jì)算出氧氣的產(chǎn)氣量

(完整word版)電解水制氫的原理，它正好是氫氣產(chǎn)氣量 的1/2。3、電能的消耗WUQW=QU依據(jù)法拉第定律，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，每產(chǎn)生1m3的氫氣的理論電荷量Q0為:W0為:式中:U0為水的理論分解電壓，U0=1。23V。1.5~2100%，所以造成的實(shí)際電能消耗要遠(yuǎn)大于理論值。目前通過電解水裝置制得1m3氫氣的實(shí)際電能消耗為4.5~5.5kW·h。4、電解用水消耗電解用水的理論用量可用水的電化學(xué)反