ляется по уравнению

= (U - ЕзН)1. (3.7)

Удельная скорость тепловыделения на единицу площади поверхности электродов (плотность теплового потока), МДж/мэ, рассчитывается по уравнениям:

(3.8а)

(3.86)

Nj - (U - ?эН)7г, А? - 0,86(1/ - ?3H)Jr.

При расчете энергетических характеристик электролизеров учитываются энергия, используемая на собственные нужды (насосы, автоматика, системы охлаждения и т.д.), а также потери энергии при трансформации и выпрямлении тока. КПД современных выпрямителей составляет 0,95-0,97 [69].

Значения КПД преобразования энергии в ячейке можно определить по уравнению

Л = (E3H/U)4F. (3-?)

Значение КПД преобразования энергии в электролизере рассчитывается по уравнению

Чал = (ЕзН/Ц)цМ, (3-10>

158

Н,0

рн2о рн2о

1,5,

Расход воды на получение единицы объема водорода w>v2 ^жно рассчитать по закону Фарадея, учитывая при этом потери воды с потоками газов

н20 18 • Ю3

(3.11)

Лн2о

i/ - 0,8036 + 1,207 [РН20/(Р - РН2о)]

гдеР - общее давление газов; рН2<э = 0,805 кг/м3 - плотность паров воды над раствором; Рн 0 - парциальное давление воды над раствором; коэффициент 1,5 учитывает унос воды с Н2 и 02. Подставив численные значения, получим , кг/м3:

_н2о

(3.11а)

(3.116)

или

«у2° - 0,8036 [1 + 1,5РН20/(Р - Рщо)1

(3.12)

3.2.2. Электролизеры со щелочным электролитом. Электролитом в электролизных ячейках служат растворы 5-10 М КОН. С учетом данных об оптимальной удельной электрической проводимости растворов при температурах 50-80°С (см. § 2.3) омические потери напряжения в свободном электролите можно оценить по уранвению

Диом = 'V°SP = (Ю4 + 73). 10-Vr/3J

где ST, м3 - габаритная площадь поверхности электродов; 'эл* м- расстояние между электродами; Jr, А/ма - габаритная плотность тока.

При работе электролизера в раствор поступают газовые пузырьки, что вызывает увеличение омического сопротивления и соответственно падения напряжения. Газосодержание раствора Растет с увеличением плотности тока, соответственно растут и омические потери. Например, при увеличении плотности тока с '"0 до 3000 А/м2 удельное сопротивление (1/0) возрастает в 1,1-'>4 раза [69]. Газоседержание электролита зависит также от Конфигурации и структуры электродов и температуры [13].

159

Если энергия связи водород - металл невелика, то процесс лимитируется стадией разряда (3.15). К металлам этой группы относятся Hg, Pb, Tl, Cd и др., имеющие небольшую плотность тока обмена и высокое перенапряжение выделения водорода На металлах второй группы (платиновые металлы, W, Мо, металлы группы железа и др.), имеющих достаточно высокую энер. гию связи металл - водород, процесс лимитируется стадиями (3.16) или же (3.17). Плотность тока обмена обычно выше, а перенапряжение водорода на них ниже, чем на металлах первой группы. При оптимальном значении энергии связи металл -водород скорость выделения водорода будет максимальной. Этому условию ближе всего отвечают металлы платиновой группы, никель и др., плотность тока обмена на них при 298 К лежит в пределах 10~2-10 А/м2 (табл. 3.3).

Из табл. 3.3 видно, что скорость выделения водорода зависит и от вида ионного проводника.

Плотность тока обмена растет, а перенапряжение (поляризация) выделения водорода падает при увеличении температуры. Так, плотность тока обмена водорода возрастает на два порядка при увеличении температуры с 298 до 363 К [14].

Каталитическую активность некоторых металлов можно увеличить легированием другими металлами или неметаллами, например никеля - серой (NiSx), кобальтом (Ni - Со), кобальтом и серой (Ni - Со - S), висмутом, молибденом (Ni - Мо)

[20, с. 56; 35, т. 3, с. 455; 89; 93; 95; 100], а также модифицированием поверхности адатомами, например кадмием [33]. Перенапряжение выделения водорода можно снизить развитием поверхно-с1и электродов, применением сеток, плазменным напылением сплава№ - А1 с последующим выщелачиванием [95, с. 299], созданием поверхностных скелетных катализаторов (ПСК) [33; 95f с. 299], введением в раствор соединений, восстанавливаемых в ходе электролиза на катоде, например молибдата [85; 87], применением пористых электродов [21; 95, с. 167-178]. Значения поляризации некоторых водородных электродов с развитой поверхностью приведены в таб. 3.4.

Предложено большое число конструкций катодов электролизеров [36]. В последние годы все больше находят применение никелевые или никелированные стальные сетки различного плетения с активированием или без дополнительного активирования [36; 89].

Выделение кислорода на аноде. Реакцию выделения кислорода можно представить уравнением

(3.18)

40Н-- 4е" - 02 + 2Н20. Потенциал электрода

?о2/ОН- = 1,23-(2,3J?T/F)PH + Q2RT/AF)\GP02.

(3.19)

Таблица 3.4. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА В ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРАХ НА ЭЛЕКТРОДАХ С РАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

сКОН>м г>°с

Условия проведения реакции Поляри- Литерату— аация, В ра

Механизм реакции очень сложен, процесс протекает черед

многие стадии [22], его рассмотрение выходит за пределы содержания книги.