水电解制氢设备

水电解制氢设备

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　　电解水制氢工作原理

　　电解水制氢的原理

　　一、在工业上通常采用如下几种方法制取氢气：一是将水蒸气通过灼热的焦炭(称为碳还原法)，得到纯度为75%左右的氢气;二是将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度在97%以下的氢气;三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低;第四种方法就是电解水法，制得的氢气纯度可高达99%以上，这胜业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠(钾)溶液时，阳极上放出氧气，阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时，也可得到氢气。

　　对用于冷却发电机的氢气的纯度要求较高，因此，都是采用电解水的方法制得。

　　二、电解水制氢原理

　　所谓电解就是借助直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成新物质的过程。

　　1、电解水原理

　　在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原来的电解质*没有关系，被分解的是作为溶剂的水，原来的电解质仍然留在水中。例如、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。

　　在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入前述电解质，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解成为氢气和氧气。

　　氢氧化钾等电解质不会被电解，现以氢氧化钾为例说明：

　　(1)氢氧化钾是强电解质，溶于水后即发生如下电离过程：

　　于是，水溶液中就产生了大量的K+和OH-。

　　(2)金属离子在水溶液中的活泼性不同，可按活泼性大小顺序排列如下：

　　K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au

　　在上面的排列中，前面的金属比后面的活泼。

　　(3)在金属活泼性顺序中，越活泼的金属越容易失去电子，否则反之。从电化学理论上看，容易得到电子的金属离子的电极电位高，而排在活泼性大小顺序前的金属离子，由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H+的电极电位

　　=-1.71V，而K+的电极电位

　　=-2.66V，所以，在水溶液中同时存在H+和K+时，H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气，而K+则仍将留在溶液中。

　　(4)水是一种弱电解质，难以电离。而当水中溶有KOH时，在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子，而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下，K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极，这时H+就会首先得到电子而成为氢气。　　2、水的电解方程

　　在直流电作用于氢氧化钾水溶液时，在阴极和阳极上分别发生下列放电反应，见图8-3。

　　图8-3 碱性水溶液的电解

　　(1)阴极反应。电解液中的H+(水电离后产生的)受阴极的吸引而移向阴极，接受电子而析出氢气，其放电反应为：

　　(2)阳极反应。电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极，最后放出电子而成为水和氧气，其放电反应为：

　　阴阳极合起来的总反应式为：

　　电解

　　所以，在以KOH为电解质的电解过程中，实际上是水被电解，产生氢气和氧气，而KOH只起运载电荷的作用。

　　三、电解电压

　　在电解水时，加在电解池上的直流电压必须大于水的理论分解电压，以便能克服电解池中的各种电阻电压降和电极极化电动势。电极极化电动势是阴极氢析出时的超电位与阳极氧极出时的超电位之和。因此，水电解电压U可表示为：

　　式中U0——水的理论分解电压，V;

　　I——电解电流，A;

　　R——电解池的总电阻，Ω;

　　——氢超电位，V;

　　——氧超电位，V。

　　从能量消耗的角度看，应该尽可能地降低电解电压。下面讨论影响电解电压的几个因素：

　　(1)水的理论分解电压UO。热力学的研究得出：原电池所做的较大电功等于反应处由能变的减少，即：

　　式中

　　——标准状态下电池反应的吉布斯自由能变，J/mol;

　　n——反应中的电子转移数;

　　F——法拉第常数，96500C/mol;

　　E0——标准状态下反应的标准电动势，V。

　　在生成水的化学反应中，自由能变为-474.4kJ/mol，即

　　2H2(g)+O2(g)=2H2O (1)

　　这是一个氧化还原反应，在两个电极上的半反应分别为：

　　O2+4H++4e=2H2O

　　2H2=4H++4e

　　电子转移数n=4，由

　　=-NFE0得

　　-474.4×103=--4×96500E0

　　可见，在0.1MPa和25℃时，U0=1.23V;它是水电解时必须提供的最小电压，它随温度的升高而降低，随压力的升高而增大，压力每升高10倍，电压约增大43mV.

　　四、制氢设备的制氢量衡算和电能消耗

　　1、法拉第定律

　　电解水溶液制氢时，在物质量上严格遵守法拉第定律：各种不同的电解质溶液，每通过96485.309C的电量，在任一电极上发生得失1 mol电子的电极反应,同时与得失1 mol电子相对应的任一电极反应的物质量亦为1mol。

　　F=96485.309C/mol称为法拉第常数，它表示每摩尔电子的电量。在一般计算中，可以近似取F=96500C/mol。根据拉第定律，可以得到下式：

　　M=kIt=kQ

　　式中 k——表示1h内通过1A电流时析出的物质量，g/(A·h);

　　I——电流，A;

　　t——通电时间，h;

　　m——电极上析出的物质的质量，g;

　　Q——通过电解池的电荷量，A·h。

　　由于库仑单位很小，所以工业上常用的电荷量单位是安培·小时，它与法拉第常数F的关系是：

　　1F=96500/3600=26.8 A·h

　　2、制氢量衡算

　　从法拉第定律可知，26.8A·h电荷量能产生0.5mol的氢气，在标准状态下，0.5mol氢气占有的体积是11.2L，则1A·h电荷量在一个电解小室的产气量

　　应为

　　(A·h)

　　如果考虑电流效率，那么每台电解槽每小时的实际产氢量

　　应为：

　　m3

　　式中 m——电解槽的电解小室数，m=

　　I——电流，A;

　　t——通电时间，h;

　　——电流效率，%。

　　同样地，可以计算出氧气的产气量

　　，它正好是氢气产气量

　　的1/2。

　　3、电能的消耗

　　电能消耗W与电压U和电荷量Q成正比，即

　　W=QU

　　根据法拉第定律，在标准状况下，每产生1m3的氢气的理论电荷量Q0为：

　　因此，理论电能消耗W0为：

　　式中：U0为水的理论分解电压，U0=1.23V。

　　在电解槽的实际运行中，其工作电压为理论分解电压的1.5~2倍，而且电流效率也达不到，所以造成的实际电能消耗要远大于理论值。目前通过电解水装置制得1m3氢气的实际电能消耗为4.5~5.5kW·h。

　　4、电解用水消耗

　　电解用水的理论用量可用水的电化学反应方程计算：

　　通电

　　2H2O

　　2H2↑+O2↑

　　KOH

　　2×18 g 2×22.4L

　　x g 1000L

　　式中：x为标准状况下，生产1m3氢气时的理论耗水量，g;22.4L为1mol氢气在标准状况下的体积。

　　x/18=1000/22.4

　　x=804g

　　在实际工作过程中，由于氢气和氧气都要携带走一定的水分，所以实际耗水量稍高于理论耗水量。目前生产1m3氢气的实际耗水量约为845~880g。

　　仲鑫达生产2-1000m3/h 水电解制氢设备/装置

　　产品简介

　　设备组成:主体设备，辅助设备及电控设备。

　　主体设备组成：电解槽，附属设备一体化框架。

　　辅助设备组成：水箱，碱箱及补水泵及气体减压分配框架等。

　　电控设备组成：整流柜，配电柜等。

　　设备特点：设备设计*可以根据用户量身定做，电解槽、气液处理装置、氢气干燥框架组装为一个框架!

　　ZXD集装箱式水电解制氢设备

　　产品特点

　　ZXD集装箱式水电解制氢设备/系统，集成电解槽、气液处理器、三塔纯化设备、控制柜、整流柜、变压器于40尺集装箱(12192mmX2438mmX3200mm)

　　该设备具有土建量小，便于安装和移动等优点，用户只需要接入水、电、即可随时随地制氢，高纯氢制氢量可高达100Nm3/h每套

　　产品氢气纯度达到99.999%，露点达到-70℃

　　水电解（制氢设备）氢气发生器  
电解水（制氢）气体发生器  
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