电解水制氢原理、电解电压 、用水消耗

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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完全没有关系,被分解的是作为溶剂的水,原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、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。

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  

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。
2、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:原电池所做的最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
     2H2g+O2g=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
                        -474.4×103=--4×96500E0
                          

可见,在0.1MPa25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。
 

3、制氢设备的电能消耗

(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100%,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↑             

2×18g                   2×22.4L
     xg                  1000L

式中:x为标准状况下,生产1m3氢气时的理论耗水量,g22.4L1mol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

--苏州穆尔气体设备有限公司

 

2019年11月7日 22:31
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