![]() |
|
|
Введение в водородную энергетику2,82 2,75 2,63 2,49 2,27 1,91 1,20 Гтепл; ???.4·?-3 0,60 0,72 0,24 0,36 0,5 0,72 1,08 1,79 Примечания: 1. Для температур 298 и 353 К предполагается электролиз воды, для более высоких — пара. 2. Если в исходном состоянии вода находится в жидкой фазе, в полном балансе энер-гии необходимо учиты щть теплоту испарения, что приведет к возрастанию затрат теплоты тепл по сравнению с WT при Г>373 К. Таким образом, в обратимой реакции при электролизе воды наряду с затратами электроэнергии принципиально возможно непосредственное преобразование теплоты, подводимой к ячейке, в химическую энергию топливно-окисли-тельной композиции (водорода и кислорода) в количестве На рис. 3.1 показано изменение Ет и Eq в зависимости от температуры при атмосферном давлении. При напряжении ячейки U<:ET (область 1) получение водорода из воды электролизом невозможно. При ЕТ<.И<ЕЧ электролиз сопровождается поглощением теплоты из внешней среды, разложение воды осуществляется не только за счет подведенной электроэнергии, но и за счет теплоты, подводимой к ячейке (области 2 и 3) в количестве Q=(Eq—U)zF, кВт-ч-моль-1, где Eq=E'q при электролизе воды и Eq= —E"q при электролизе водяного пара. В области ??^?/^ ^E"q (область 2) при электролизе водяного пара подводи-74 мая извне теплота затрачивается непосредственно на разложение молекулы воды, а при электролизе жидкой воды— как на испарение, так и на разложение воды. В области E"q-^U-^E'q (область 3) при электролизе воды подводимая извне теплота затрачивается на испарение воды, при электролизе же водяного пара теплота, выделяющаяся в ячейке, отдается во внешнюю среду. В области 2 затраты электроэнергии на электролиз меньше низшей теплоты сгорания водорода в кислороде, а в области 3 — больше низшей, но меньше высшей. При U>E'q выделяющаяся в ячейке теплота отдается во внешнюю среду и затраты О о. юо гоо зоо wo soo еоо wo воо t;c - Рис. 3.1. Условия реализации электролиза электроэнергии на производство водорода превышают высшую теплоту сгорания получаемой топливно-окислительной композиции (область 4). Понятно, что термодинамически более выгодно вести процесс электролиза при высоких температурах и значениях U, близких к Ет, с подводом теплоты от внешнего источника. Однако в реальных электролизерах процесс разложения воды сопровождается потерями энергии вследствие необратимости электродных реакций и омических потерь в электролите и самих электродах. В условиях электрохимического равновесия поверхность электрода в растворе имеет нулевой заряд и скорости разряда ионов и ионизации на ней сбалансированы. Скорости прямой и обратной электродных реакций при равновесном электродном потенциале, выраженные в электрических единицах, называются током обмена. Ток обмена является важной кинетической характеристикой электрохимической реакции и зависит от активности реагирующих ионов а и анергии активации электродной реакции. 75 При значительных отклонениях электродного потенциала от равновесного его значения результирующая плотность тока на электроде может быть определена как скорость прямой реакции /=:/„а'-°ехр( аг/?|;-у°' ), (3.14) где /0 — стандартный ток обмена (при а=1); ? — кажущийся коэффициент переноса ионов в растворе; ?—заряд иона; F—число Фарадея; ? — фактический электродный потенциал; ?0 — равновесный электродный потенциал. Величина ??=?—?0 показывает, насколько должен быть удален электродный потенциал от равновесного его значения для обеспечения необходимой скорости реакции разряда или образования ионов /, и называется перенапряжением (поляризацией) электрода. При постоянной активности ионов в растворе, как следует из (3.14), ?? является линейной функцией логарифма /, что выражается известным уравнением Тафеля Аср=Л—В\п1, (3.15) где А и В — константы. Константа В, называемая тафелевским наклоном, как следует из (3.14), пропорциональна температуре, обратно пропорциональна кажущемуся коэффициенту переноса и определяется процессами в растворе и материалом электрода, но не состоянием его поверхности. Константа А определяется процессами на межфазной границе и в большей степени зависит от материала электрода и состояния его поверхности. Поляризация электродов, вызванная конечной скоростью разряда или образования ионов (химическая поляризация), оказывает существенное влияние на протекание электродных процессов, однако часто является не единственным фактором, определяющим падение напряжения в электролизере. При значительных плотностях тока и продолжительном электролизе, например, наблюдается концентрационная поляризация А(рКоиц, связанная с замедленной скоростью поступления ионов из объема раствора к поверхности электродов, которое осуществляется диффузией через тонкий слой раствора вблизи поверхности. На поверхности электрода в единицу времени нейтрализуется I/zF ионов. С ростом поляризации электрода поток ионов к его поверхности возрастает, так как уменьшается их концентрация на самой поверхности. Это возрастание ограничено предельным током /пред, который соответствует кон-76 центрации ионов на поверхности электрода, равной нулю, т. е. такому процессу, при котором все ионы, способные за счет диффузии в единицу времени попасть из объема раствора к поверхности электрода, немедленно разряжаются. Дальнейший рост поляризации электрода уже не приводит к возрастанию /. Предельная плотность тока определяется, таким образов, уравнением 8|(У—л,-) тде Di — коэффициент диффузии ионов; с — объемная концентрация ионов; ? — толщина диффузионного пограничного слоя; га — число переноса ионов; Kd— константа скорости диффузии. Концентрационная поляризация ??? логарифмически зависят от плотности тока: ???=-^1?(?--?-). (3.17) ZF \ /пред / С ростом температуры Kd и /пРеД возрастают и ??? падает. Перемешивание раствора приводит к уменьшению ? и снижению ???. При протекании тока в растворе возникает юмическое падение напряжения ??0? в электролите и в диа--фрагме, разделяющей электроды. Кроме того, выделение :на электродах газообразных продуктов электролиза в виде пузырьков газа приводит к увеличению удельного сопротивления электролита вблизи электрода и уменьшению площади поверхности контакта электролит — электрод, т. е. к увеличению омических потерь. Падение напряжения в электролизной ячейке определяется как ?/=?,?+??0?+???3?-?-??3?, (3.18) *де ??0? — омические потери в электролите и пористой диафрагме; Дфкат — катодное перенапряжение (суммарное ??. определяемое процессами на катоде); ??3? — анодное перенапряжение (суммарное ??, определяемое процессами на ¦аноде). В реальных электролизерах всегда U>Eg, т. е. в обычных условиях их работы теплота выделяется в окружающую среду. Распределение потерь напряжения в современном щелочном электролизере при /=300 мА-см-2, Т= = 353 К, ?т= 1,18 В и ?/ = 2,40 В приведено в табл. 3.2 Суммарные энергетические потери в электролизной ячейке складываются главным образом из энергетических Таблица 3 2. Распределение потерь напряжения Величины Потери напряжения на аноде на катоде омические общие ??, В Потери, % 0,48 39 0,32 26 0,41 35 1,22 100 _______г_^,-„, „ирии^^по^длдиАся тафелевской зависимостью поляризационных кривых, и из омических потерь в электролите и местах контактов, пропорциональных плотности тока. Таким образом, обобщенная вольт-амперная характеристика электролизной ячейки имеет вид U=A+-B\nI+rI, (3.19) а эффективное сопротивление ячейки Гдф—dU/dI зависит от плотности тока: r* = B-j- + r (3.20) и не зависит от активности (каталитичности) электродов. При отсутствии утечек тока все составляющие теплового баланса ячейки без большой погрешности можно выразить в электрических единицах. В ячейке выделяется джоулева теплота. С уходящими газами отводится теплота Qr, через холодильники <Эхол, путем потерь через стенки Qct. Кроме того, в общем балансе надо учесть отвод энергии в виде химической энергии Qxhm (теплоты сгорания в условиях работы ячейки) полученных водорода и кислорода. На рис. Рис. 3.2. Изменение теплового баланса ячейки электролизера с ростом нагрузки Mu » nnvjiujji^a. на рис. 3.2 представлено изменение теплового баланса ячейки (на единицу продукции) при увеличении нагрузки и постоянной температуре. С ростом нагрузки доля потерь теплоты через стенки Ост в общем балансе теплоты уменьшается, a Qxhm и Qr остаются неизменными. Суммарные потери теплоты QnoT=QxHM+Qr+QcT в зависимости от нагрузки представлены кривой /. Выделение энергии в ячейке определяется ее вольт-амперной характеристикой (кривая 2). В точке о энерговыделение и потери равны. При рабо-78 те в режиме /а для поддержания постоянной температуры ячейки к ней надо подводить теплоту, а яри 1>1а необходим отвод теплоты через холодильники. Практически работа электролизера всегда осуществляется при /> >/о. Затраты электроэнергии на единицу продукции при электролизе зависят от плотности тока. С увеличением / возрастают перенапряжения на аноде и катоде, омические потери, утечки тока и другие потери энергии, что приводит к росту затрат электроэнергии на единицу продукции. В табл. 3.3 приведены в качестве примера затраты энергии на получение водорода в отечественном электролизере типа ФВ-500 в зависимости от плотности тока. Таблица 3.3. Характеристики электролизера ФВ-500 Плотность тока, кА-щ-" Напряжение на ячейке, В Производител ьность по водороду, м'-ч'1 Расход энергии постоянного тона, кВтч-м "·> Hi 0,5 1,77 100,8 4,31 1 1,89 201,6 4,61 1,5 2,00 302,4 4,86 2 2,09 403,2 5,10 2,5 2,18 503,4 5,31 3 2,28 604,8 5,57 3,5 2,33 705,6 5,76 Для количественной характеристики эффективности ра-. боты электролизера используют обычно следующие показатели: коэффициент полезного использования тока («выход по току») ?,·, который определяется как отношение количества электричества, теоретически (по закону Фарадея) необходимого для получения единицы продукции, к практически затраченному; коэффицие |
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 |
Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb) |
[каталог] [статьи] [доска объявлений] [прайс-листы] [форум] [обратная связь] |
|
Введение в химию окружающей среды. Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей
среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги
заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в
разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности.
Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и
атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на
химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах.
Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии
университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга
читателей.
Химия и технология редких и рассеянных элементов. Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов
химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии
лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во
второй
части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана,
лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В
третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия,
тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание
уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В
технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика
рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов
производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие
составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по
1972 год включительно.
|
|