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電解水製氫整流器工作原理
- 2020-05-22-

目前,已知的製取氫氣方式多種多樣,包括氨分解製氫、天然氣製氫、甲醇裂解製氫、水電解製氫等,其中應用最為廣泛的就是水電解製氫。

一、水電解製氫類別

其中水電解製氫可分為堿液電解製氫和PEM純水電解製氫兩種這兩種製氫方式的優缺點為:

1)堿液電解製氫:該製氫技術曆史比較悠久,最早是從蘇聯學來的,後來應用到國內電廠、多晶矽、化工企業、小型實驗室色譜配套氣源等場所,設備運行可靠,造價成本低,氫氣純度一般在99.8%左右。不過氫氣中含有腐蝕性,長期運行超過5年會腐蝕各個零部件,需要每五年一大修,維修費用較高。廢棄的堿液需環保處理,並需要專門人員培訓上崗,氫氧調節需要特別注意。

2)PEM純水電解製氫:該技術最早是由美國核潛艇的氧氣發生器原理得來的,因為采用的是質子膜電解槽,通過電解純水可物理分離高純氫氣和氧氣,目前該設備在國內應用比較廣泛,包括電廠、化工、冶金、玻璃、醫療、高端實驗室等,逐漸有取代堿液電解製氫的趨勢。且該技術設備體積較小,製取氫氣純度高,≥99.9995%,整個運行過程無汙染,操作簡單,並可實現遠程無人值守。安全性能高,運行時間長,電解槽壽命一般在15年左右。

該型裝置最大特點為采用純水電解,無汙染、無腐蝕,氫氣純度更高。相較傳統堿性製氫裝置,其優點包括可滿足大電流密度工作,電流密度可達1A/cm2以上;能耗低、效率高,電解製氫效率可達85%以上;製氫裝置體積小、重量輕;具有較好的寬功率波動供電適應性,可實現產氫量0~100%智能調控;裝置集成化程度高,可實現長期穩定運行,啟閉操作簡單,維護成本低。

缺點是設備成本與堿液電解製氫相比成本較貴,主要來源於鉑金催化劑,目前各個國家正在研究突破質子膜上鉑金催化劑的替代材料,未來發展可期。

二、堿性水電解製氫原理

水電解製氫裝置得到了越來越廣泛的應用,包括新能源、電力、石化、醫藥、冶金、多晶矽、氣象、航天等領域及各大氣體公司。通過電解水法製得的氫氣純度可高達99% 以上,這是工業上製備氫氣的一種重要方法。在電解氫氧化鈉(鉀)溶液時,陽極上放出氧氣,陰極上放出氫氣。

 

電解水製氫原理就是電解過程,借助直流電的作用,將溶解在水中的電解質分解成新物質的過程。電解水原理在一些電解質水溶液中通入直流電時,分解出的物質與原來的電解質完全沒有關係,被分解的是作為溶劑的水,原來的電解質仍然留在水中。例如硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀等均屬於這類電解質。 在電解水時,由於純水的電離度很小,導電能力低,屬於典型的弱電解質,所以需要加入前述電解質,以增加溶液的導電能力,使水能夠順利地電解成為氫氣和氧氣。 氫氧化鉀等電解質不會被電解,現以氫氧化鉀為例說明:

1)氫氧化鉀是強電解質,溶於水後即發生如下電離過程:

於是,水溶液中就產生了大量的K+ 和 OH- 。

2)金屬離子在水溶液中的活潑性不同,可按活潑性大小順序排列如下:    K> Na > Mg> Al > Mn> Zn> Fe >Ni > Sn > Pb> H> Cu > Hg >Ag >Au,在上麵的排列中,前麵的金屬比後麵的活潑。

3)在金屬活潑性順序中,越活潑的金屬越容易失去電子,否則反之。從電化學理論上看,容易得到電子 的金屬離子的電極電位高,而排在活潑性大小順序前的金屬離子,由於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 ,所以,在水溶液中同時存在H+和 K+時, H+ 將在陰極上首先得到電子而變成氫氣,而K+ 則仍將留在溶液中。

4)水是一種弱電解質,難以電離。而當水中溶有KOH 時,在電離的 K+ 周圍則圍繞著極性的水分子而 成為水合鉀離子,而且因 K+ 的作用使水分子有了極性方向。在直流電作用下,K+ 帶著有極性方向的水分 子一同遷向陰極這時H+ 就會首先得到電子而成為氫氣。

 

水的電解方程:在直流電作用於氫氧化鉀水溶液時,在陰極和陽極上分別發生下列放電反應,見下圖所示。

1)陰極反應。電解液中的H+(水電離後產生的)受陰極的吸引而移向陰極,接受電子而析出氫氣,其放電反應為:

2)陽極反應。 電解液中的OH- 受陽極的吸引而移向陽極, 最後放出電子而成為水和氧氣, 其放電反應為:

陰陽極合起來的總反應式為:

  所以,在以 KOH 為電解質的電解過程中,實際上是水被電解,產生氫氣和氧氣,而KOH 隻起運載電荷的作用。 

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