химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

афрагм щелочных электролизеров. В качестве таких исходных материалов в последнее время активно исследуются сульфонированный тетрафторэтилен, титанат бария, гексатитанат калия (КгТЛбОи), материалы на основе полусурьмяной кислоты и некоторые другие. Эти материалы в некоторых случаях имеют волоконную структуру, диафрагмы из них изготовляются путем прессования со связующим, что обеспечивает достаточную механическую прочность при высокой пористости. Весьма перспективным материалом для диафрагм может оказаться пористый окисленный никель.

Ниже приведены типичные характеристики современных щелочных электролизеров (по литературным данным):

Плотность тока, кА-м~2.........1,5—2,5

Напряжение на ячейке, В,

при 1=2 кА-м-2..........1,8—2,2

Затраты энергии на производство водорода, ???·4·?-3 4,3—5,4

Рабочая температура, К......... 340—360

Рабочее давление, МПа.........0.1

Тип электролита........... 25—30 % КОН

Выход по току, %.......... 99—99,5

Производительность единичного агрегата по водороду, м3-ч-'............ 700—800

Наиболее перспективным путем совершенствования щелочных электролизеров является увеличение их рабочей температуры и давления. Увеличение температуры в щелочных электролизерах обычно сопровождается повышением давления для предотвращения выкипания щелочи. На рис. 3.5 приведены поляризационные характеристики никелевых анодов и катодов в 50% КОН в интервале температур 353—538 К по данным [26]. Как видно на рисунке, ток обмена процессов выделения водорода и особенно кислорода с ростом температуры существенно возрастает и перенапряжение уменьшается.

Увеличение давления в соответствии с уравнением (3.10) приводит к росту Ет, однако падение напряжения на ячейке при этом уменьшается, в особенности для ячеек типа показанных на рис. 3.4,а. Это связано с тем, что при возрастании р, во-первых, уменьшаются размеры газовых

84

пузырьков и объемное газосодержание электролита, т. е. уменьшаются омические потери в нем, во-вторых, уменьшаются степень заполнения поверхности электродов газовой фазой и отрывные диаметры газовых пузырьков и, в-третьих, увеличивается объемное заполнение пористого электрода жидким электролитом, т. е. повышается эффективность использования поверхности электродов. При электролизе под давлением появляется возможность существенно увеличить температуру ячейки без выкипания щелочи и увеличения газонаполнения электролита.

Рис. 3.5. Поляризационные характеристики никелевых электродов:

Температуры: / — 353; 1 — 423; 3 — 483; 4 — 538 К

Проведение электролиза под давлением, кроме того, позволяет отказаться от установки газгольдеров и компрессоров после электролизера и обеспечивает экономию на сжатие в компрессоре получаемых водорода и кислорода. Поскольку при разложении 1 л воды при атмосферном давлении образуется около 1200 л Н2 и 600 л 02, вообще говоря, при проведении процесса в замкнутом объеме можно увеличить давление до 150 МПа и более, т. е. возможность увеличения давления практически не ограничена. Наиболее существенный эффект, однако, достигается при переходе от атмосферного давления к давлениям до 1—5 МПа. При этом температура ячейки может быть увеличена до 393— 433 К.' Дальнейший рост давления не приводит к существен-

85

ному возрастанию экономии электроэнергии и в ряде случаев оказывается, что если, например, потребителю необходим водород давлением р>20 МПа, то экономически более целесообразно получить его электролизом под давлением около 5 МПа с последующим сжатием в компрессоре до р>20 МПа.

С ростом давления увеличивается растворимость водорода и кислорода в электролите и уменьшается выход по току. Например, для электролизеров типа ЭФ при изменении давления от 0,1 до 10 МПа выход по току уменьшается со 100 до 95,5%. Однако в связи с отмеченными выше обстоятельствами эффективность процесса в целом возрастает [28].

Электролиз воды под давлением был предложен еще в XIX в. и впервые нашел техническое применение в нашей стране в 30-х годах нашего столетия, когда были построены установки с электролизерами типа ЭФ для работы под давлением 1,0—1,5 МПа. В 50-х годах XX в. фирма «Лурги» (ФРГ) выпустила электролизеры Зданского — Лонца производительностью до 740 м3-ч-1 Н2 для работы под давлением до 3—4 МПа. В настоящее время в промышленности работают электролизеры со сравнительно невысоким давлением — до 1—4 МПа и широко проводятся работы по созданию электролизеров различных типов на повышенные давления. Ниже приведены основные характеристики современных мощных щелочных электролизеров для работы под давлением (по литературным данным):

Плотность тока, кА-м-2.........1—2

Напряжение на ячейке, В........1,75—1,9

Затраты энергии на производство водорода, ???·4·?~3 4,2—4,7

Рабочая температура, К........ 380—400

Рабочее давление, МПа.........3—4

Тип электролита........... 25—30 % КОН

Производительность единичного агрегата по водороду, м3-ч-!............ 100—750

В последние годы широко проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки, направленные на создание мощных эффективных щелочных электролизеров для крупномасштабного производства водорода из воды при атмосферном и повышенных давлениях. Эти работы развиваются в нескольких направлениях. Совершенствуются существующие типы и конструкции мощных электролизеров фильтр-прессного биполярного и ящичного униполярного типов, широко используемые в настоящее время — электролизеры завода Уралхиммаш, фирм «Броун — Бовери», «Динора», «Лурги», «Норск—Гидро». 86

«Электролайзер корпорейшн» и др. В результате усовершенствования существующих фильтр-прессных биполярных электролизеров в близкой перспективе будут созданы аппараты, работающие при температурах 353—363 К, плотностях тока 300—500 мА-см~2 с эффективностью 75—80% и энергозатратами 4,2—4,5 кВт-ч-м-3 ?2. Необходимые производственные площади для таких электролизеров составят от 10 до 40 м2 на 100 м3 Нг-ч-1 [29] в зависимости от типа электролизера и производительности предприятия.

Эффективные униполярные электролизеры ящичного типа разработаны в Канаде фирмой «Электролайзер корпорейшн:». Агрегаты производительностью 42 м3 Нг-ч~' работают при атмосферном давлении и температуре 343 К, электролит — 25% КОН, эффективность электролиза составляет 81%, а энергозатраты в номинальном режиме при плотности тока 240 мА-см-2 равны 4,4 кВт-ч-м-3 Н2. Путем объединения отдельных агрегатов может быть создана установка нужной производительности, при этом необходимые производственные площади составят от 14 до 27 м2 на 100 м3 Н2>ч-1 в зависимости от мощности производства. Целью дальнейших разработок фирмы является снижение энергозатрат до 4,2—4,3 кВт-ч-м-3 Н2 и необходимых производственных площадей до 4—14 м2 на 100 м3Н2-ч-1, увеличение номинальной плотности тока до 500 мА-см-2 и рабочей температуры до 358 К, снижение капитальных затрат на 25%· Реализация этой программы и создание крупномасштабных производств водорода с такими электролизерами запланированы на конец 80-х — начало 90-х годов [29, 30, 31].

В результате исследований и разработок последних лет в ряде лабораторий созданы новые эффективные бесплатиновые катализаторы на основе никеля и другие виды катализаторов, опытные электроды и диафрагмы для электролиза воды в растворах 25—30% КОН и 15% NaOH при температурах 353—393 К и давлениях 0,1—2 МПа, созданы экспериментальные электролизеры относительно небольшой мощности и проведены их всесторонние испытания [32-38].

На рис. 3.6 приведены «коридоры» вольт-амперных характеристик современных и перспективных электролизеров различных типов, полученные в результате обобщения многочисленных литературных данных. Для современных аппаратов они основаны на их паспортных данных и опыте эксплуатации, для перспективных получены по результатам экспериментов на опытных образцах аппаратов и в некото-

87

рых случаях на экспериментальных ячейках. Как ясно из рисунка, в перспективных промышленных щелочных электролизерах эффективность процесса электролиза может достигать 80—85% при плотностях тока 500—1000 мА-см-2, а с энергозатраты составят 4,1—4,8 кВт-ч-м-3 Н2. Удельная производительность таких щелочных электролизеров на единицу видимой поверхности электродов будет в 3—4 раза превышать производительность существующих аппаратов.

В рассмотренных выше аппаратах увеличение температуры ячейки сверх 370 К связано с увеличением давления для предотвращения выкипания щелочи. Вместе с тем рабочая температура щелочного электролизера может быть повышена н без существенного повышения давления, однако при этом необходимо увеличивать концентрацию раствора щелочи. В частности, в 10 н. растворе КОН при атмосферном давлении электролиз воды может осуществляться при

Рис. 3.6. Вольт-амперные характеристики существующих и перспективных промышленных электролизеров:

/ — промышленные щелочные электролизеры и их усовершенствованные модификации (70—95 °С); 1 — фильтр-прессиые биполярные типа ФВ-500 (75—95°); 3 — ящичные моиополяриые фирмы «Электролайзер Корпорейшн»; 4 — фильтр-прессиые биполярные фирмы «Дииора»; 5 — перспективные фильтр-прессиые (25— 30% КОН, 90—120 °С, 0,1—2,0 МПа); 6—то же (10 и. КОН, 100—140 °С, 0,1—1,0 МПа); 7—электролизеры для электролиза в расплавах (NaOH, NaOH/LlOH, 0,5—4,0% НгО, 330—400 "С, 0,1—1,0 МПа); 8 — электролизеры с твердополимериым электролитом (150°С, 0,1 МПа); 9 — высокотемпературные электролизеры (900 "С, 0,1 МПа)

88

Н2 2Н20 t \ 1 НгО 4- 02 t t

( э 2?+2?20+2??->~ -»-?2+2???? I -г — 2?? • 2????-»--*|о2+Н2ОтШ+2е ( ±)

Рис. 3.7. Схема процесса электролиза в расплаве

температурах до 400 К, а при давлении 0,8 МПа —при температурах до 420 К. В последнее время созданы эффективные катализаторы на основе никеля Ренея и стабильные диафрагмы на основе окиси никеля, которые позволяют реализовать такой процесс электролиза воды в ячейках типа показанных на рис. 3.4,6 [39]. Вольт-амперные характеристики таких ячеек получены в работах [39, 40], на основании которых на рис. 3.6 построен «коридор» ожидаемых вольт-амперных хара

страница 17
< 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]

 

 

Реклама
курсы обучения флопистике
купить дачу от 500000 рублей
Крепеж настенно-напольный для плазмы X-серии SMS Flatscreen X WFH S1955 W/S
обучение на косметолога в москве с медицинским образованием

Рекомендуемые книги

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.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(08.12.2016)