Содержание:
Введение
- Формула КПД электролиза
- Разбор составляющих формулы КПД
2.1 Низшая или высшая теплота сгорания?
2.2 Удельный расход электроэнергии
2.3 Кратко о составляющих напряжения на ячейке электролизера
2.3.1 Термодинамически обратимые значения потенциала катода и анода
2.3.2 Перенапряжение выделения водорода и кислорода
2.3.3 Концентрационное и диффузионное перенапряжение
2.3.4 Влияние сопротивления электролита и конструктивных особенностей на перенапряжение
Выводы
Введение
Принятые сокращения в тексте:
- водород - Н2
- электролиз - ЭЛЗ;
- низшая и высшая теплота сгорания - НТС и ВТС;
- напряжение - U;
- перенапряжение - переU.
Ранее я рассмотрел принцип и особенности получения Н2 ЭЛЗ щелочной воды и с протонообменной мембраной, т.е., низкотемпературный ЭЛЗ воды.
Таким образом, все это касалось конструктивного устройства электролизеров и физической сути получения Н2 ЭЛЗ.
В этой статье рассмотрены основы методики расчета КПД низкотемпературного ЭЛЗ.
Так как же его определять и от чего он зависит?
1. Формула КПД ЭЛЗ
Есть такая формула:
η = Qнр / W,
где W – удельный расход электроэнергии для получения единицы объема Н2, кВт·ч/м3; Qнр - низшая теплота сгорания Н2, кДж/м3.
Для подсчета по такой формуле необходимо кВт·ч перевести в кДж. (1кВт·ч = 3600 кДж).
2. Разбор составляющих формулы КПД
2.1 Низшая или высшая теплота сгорания?
В числителе под НТС Н2 понимается количество т-ты, выделившееся при сгорании единицы объема (массы) без учета т-ты конденсации вод. паров. Но есть еще и ВТС, которая, напротив, учитывает т-ту конденсации вод. паров. Но при расчете КПД следует брать именно низшую. В чем же дело?
ВТС это как исключение, она берется в расчетах только в тех случаях, когда возникает необходимость в полезном использовании т-ты конденсации вод. паров из прод. сгорания. Таким образом, возрастает эффективность использования т-ты уходящих газов, а значит повышается экономичность установки, т.е., КПД.
Во всех остальных случаях, где т-та конденсации вод. паров полезно не используется или вовсе нет необходимости осуществлять конденсацию расчет надо вести через НТС.
Использование Н2 для выработки энергии возможно только в двух типах устройств:
- топливные элементы (ТЭ),
- ДВС.
Получение в них энергии основано на химической реакции окисления Н2. При этом в качестве конечного продукта реакции в ТЭ происходит образование воды в жидкой фазе, а в ДВС – вод. пары в составе прод. сгорания. В обоих случаях т-та конденсации вод. паров полезно не используется, а значит расчет надо вести через НТС.
Таким образом, поскольку в электролизере нет необходимости полезно использовать т-ту вод. паров и предназначен он только для получения Н2, то КПД ЭЛЗ вычислять следует через НТС Н2.
2.2 Удельный расход электроэнергии
Уд. расх. ЭЭ определяется по формуле:
W = Eяч / 0,419γ,
где Еяч – напряжение на ячейке электролизера, В; 0,419 – объем образовавшегося Н2 пропорциональный количеству разложившейся воды за счет электричества, прошедшего через ячейку и приведенный к нормальным условиям (атмосферное давление и температура 0 ⁰С); γ – выход по току.
Выход по току представляет собой отношение объема газа реально полученного в процессе ЭЛЗ воды к теоретически возможному объему, который выделяется при полном использовании тока. Данная величина при нормальной работе электролизера принимается равной 0,98.
И вот как раз-таки величина Еяч и является самой главной, от которой и зависит напрямую КПД ЭЛЗ. Определяется по выражению:
Еяч = е_к + е_а + δе_к + δе_а + е_кп + е_д + IR_э + IR_д + IR_м,
где е_к и е_д – термодинамически обратимые значения потенциала катода и анода; δ_ек и δ_еа – переU выделения Н2 на катоде и кислорода на аноде; е_кп и е_д – величины концентрационного и диффузионного переU; I – сила тока, А; Rэ, Rд, Rм – сопротивление электролита, диафрагмы, металлических проводников и контактов в ячейке соответственно, Ом.
Кратко рассмотрим составляющие U на ячейке электролизера.
2.3 Кратко о составляющих U на ячейке
2.3.1 Термодинамически обратимые значения потенциала катода и анода
Образуют теоретическое U разложения воды. Т.е. теоретическое U представляет собой минимально возможное U (идеальный процесс), при котором идет разложения воды с минимальным расходом электроэнергии.
2.3.2 ПереU выделения Н2 и кислорода
Является наиболее значительным составляющим U на ячейке. Под переU понимается отклонение потенциала электрода от его равновесного значения по причине протекания по нему электр. тока.
Величина переU Н2 на катоде и кислорода на аноде зависят от многих факторов:
- от материала электрода;
- состояния его поверхности;
- плотности тока;
- температуры, состава и концентр. электролита, а также наличия в нем различных примесей;
- длительности ведения процесса.
- от положения металла, из которого изготовлены электроды электролизера в периодической системе Д.И. Менделеева.
2.3.3 Концентрационное и диффузионное переU
Возникает вследствие изменения концентрации электролита в катодном и анодном отсеках. Происходит увеличение концентрации щелочи в катодном пространстве и уменьшение ее концентрации в анодном, поскольку, согласно уравнению реакции, на катоде вода ионизируется с образованием Н2, а на аноде возникает ее образование. Т.е., на аноде происходит разбавление щелочи водой.
Диффузионное переU обусловлено различной подвижностью ионов на границе раздела католита и анолита. Т.е., катионы Н2 быстрее преобразуются в Н2 и удаляются из католита, в то время как более тяжелые анионы гидроксогруппы медленнее движутся к аноду, где происходит образование кислорода.
2.3.4 Влияние сопротивления электролита и конструктивных особенностей на переU
Потери U на преодоление сопр. зависят от его удельного сопр., которое зависит от степени его газонаполнения, температуры и концентр. (вязкости).
Излишнему увеличению U на ячейке способствует разделяющая диафрагма, поскольку она создает дополнительное сопр. на пути прохождения электр. тока через раствор электролита, а также преодоление сопр. металлических проводников и контактов.
Выводы
- КПД электролиза напрямую зависит от уд. расх. ЭЭ на производство единицы объема (массы) Н2. В свою очередь, уд. расх. ЭЭ зависит от U на ячейке электролизера.
- U на ячейке электролизера зависит от множества факторов, к которым относятся материал электродов, состояние электролита, интенсивность и длительность процесса ЭЛЗ, которые в сумме образуют сопр. течению электр. тока.
- Главным направлением в повышении эффективности ЭЛЗ является подбор таких материалов и состава электролита, при которых появляется возможность вести процесс при более низких составляющих U на ячейке.