《制氢技术》课件-1 电解水制氢基本原理

电解水制氢电解水制氢氢气作为环境友好的能量载体，清洁、无污染、可再生目前工业化制氢方法有许多种，包括天然气蒸汽重整制氢、甲醇重整制氢、水煤气制氢和技术最为成熟的水电解制氢。水电解制氢的原料水则取之不尽、用之不竭，作为能源使用后反应产物又是可重复利用的水，是最有发展前景的制氢方法。直接利用火力发电资源作为水电解制氢的电能供给，在目前的制氢方法中水电解制氢能耗是最高的，但如果采用风能、太阳能、水力能所产生的电能来电解水，那水电解制氢无疑是社会性、经济性最好的。电解水制氢是很成熟的传统制氢方法。电解水的现象最早是在1789年被观测到的。1800年Nicholson和Carlisle发展了这一技术；1902年就已经有400多个工业电解槽，总产氢容量为10000m³H2•h-1；1948年Zdansk和Lonza建造了第一台增压式水电解槽。目前，国内外的电解水制氢技术已比较成熟，设备已经成套化和系统化。如国内多家厂家提供2-200m³•h-1（标准）氢气的各种规模的水电解制氢成套设备。水电解制氢的优点是不使用化石燃料、产品纯度高、操作灵活、生产能力可调性大。电解水制氢技术的优点是工艺比较简单，完全自动化，操作方便；其氢气产品的纯度也极高，一般可达到99%～99.9%，并且由于其主要杂质是H2O和O2，无污染，特别适合质子膜燃料电池中对一氧化碳要求极为严格的燃料电池使用。加压水电解制氢技术的开发成功，减少了电解槽的体积，降低了能耗，成为电解水制氢的趋势。电解水制氢技术目前只占氢气总量的约4%，这是由于在制氢成本中，尽管以水为原料，原料价格比较便宜，但由于其制氢成本的主要部分是电能的消耗。水电解的耗电量较高，一般制得每标准立方米氢气不低于4kWh用电量。虽然近年来对电解水制氢技术进行了许多改进，但工业化的电解水制氢成本仍然高于以化石燃料为原料的制氢成本。目录1、电解水制氢的基本原理2、电解水制氢技术的工艺流程3、电解水制氢的电耗和影响因素4、电解水制氢工艺的主要设备5、电解水制氢的效率6、电解水制氢的发展电解水的实验实验探究认真观察，师友共同完成下面问题1、接的什么电源？2、观察到怎样的现象？3、通过这实验你能等到什么样的结论？1、电解水制氢的基本原理水电解制氢是燃料电池氢气和氧气进行氧化-还原反应的逆反应。水电解是在阴极上发生还原反应析出氢气和在阳极上发生氧化反应析出氧气的反应。1、电解水制氢的基本原理其反应式为:

阴极上:4H2O+4e→2H2↑+4OH

阳极上:4OH─―4e→2H2O

+O2↑

总反应式:2H2O=2H2↑+O2↑思考：为什么不直接电解纯水？1、电解水制氢的基本原理常见的碱性水溶液的电解制氢的电极槽由浸没在电解液中的一对电极和电极两端隔以防止气体渗透的隔膜而构成。电极通以一定电压的直流电时，水就发生分解，分别在阴极产生氢气，阳极产生氧气。水溶液的导电是由于溶液中带电的离子在电场中移动的结果，其电导率（电阻率的倒数）的大小与水溶液中的离子浓度有关。纯水是很弱的电解质，它的导电能力很差。所以通常需要加入一些强电解质，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解为氢气和氧气明。水电解时的反应式，根据电解液的性质不同而有所不同。1、电解水制氢的基本原理碱电解液常用KOH或NaOH溶液。水分子放电析出氢及OH-离子。Na+或K+离子在电解液的浓度下，其析出电位要比氢析出电位负得多，因此阴极上H+先放电，析出氢；在阳极上因为没有别的负离子存在，因此OH-离子先放电析出氧。1摩尔水电解得到1摩尔氢气和0.5摩尔氧气。1、电解水制氢的基本原理由于隔膜的阻碍，氢气和氧气不会通过隔膜混合在一起，但是电解液却可通过隔膜进入另一侧。制氢系统运行时，氢气与碱液的混合液以及氧气与碱液的混合液，分别经过气水分,离器，将气体和溶液分离，碱液回流至电解槽，氢气和氧气分别进入纯化装置提纯后进行收集。1、电解水制氢的基本原理水的理论分解电压是假定水在可逆条件下进行电解所需的电压，它等于氢、氧原电池的可逆电动势E。水的理论分解电压是不计及任何损耗的最小电压，它是由在水分解时必须向水电解池供给的最小电能所决定的，此电能相当于水分解时的Gibbs自由能的变化，因此可以用化学热力学方程进行计算。可逆电池电动势与自由能之间的关系为△G=-nEF式中∶△G为Gibbs自由能的变化；n为反应物质的当量数，或电极反应中电子得失的数目；F为法拉第常数，数值为每摩尔96500库仑。1、电解水制氢的基本原理水分解成氢气和氧气的化学反应的自由能的增加需外界供给电能（-E），即-E=△G/nF在1个大气压及25℃的状况下，1摩尔水分解成1摩尔氢气及0.5摩尔氧气时，其Gibbs自由能的变化（生成物与反应物之间的自由能之差）为56.7千卡，所需电量为1法拉第（26.8安培·小时），水的当量数n=2，因此可得-E=△G/nF=56.7×1000/2×26.8×860=1.23(V)其中∶860为单位换算所得的系数。1、电解水制氢的基本原理在1个大气压及25℃的标准状态下，水的理论分解电压为1.23V。相应的最小电耗为2.95kW·h·m-3（标氢）。但实际上，由于氢气和氧气在反应过程中的过电位、电解液电阻及其他电阻因素，实际需要的电压比理论值高。实际需要的电压计算公式为U=U0+IR+ΨH＋Ψo式中∶U0为水的理论分解电压（单位V）；I为电解电流（单位A）；R为电解池的总电阻（单位Ω