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电解水制氢整流器工作原理
- 2020-05-22-

目前,已知的制取氢气方式多种多样,包括氨分解制氢、天然气制氢、甲醇裂解制氢、水电解制氢等,其中应用最为广泛的就是水电解制氢。

一、水电解制氢类别

其中水电解制氢可分为碱液电解制氢和PEM纯水电解制氢两种这两种制氢方式的优缺点为:

1)碱液电解制氢:该制氢技术历史比较悠久,最早是从苏联学来的,后来应用到国内电厂、多晶硅、化工企业、小型实验室色谱配套气源等场所,设备运行可靠,造价成本低,氢气纯度一般在99.8%左右。不过氢气中含有腐蚀性,长期运行超过5年会腐蚀各个零部件,需要每五年一大修,维修费用较高。废弃的碱液需环保处理,并需要专门人员培训上岗,氢氧调节需要特别注意。

2)PEM纯水电解制氢:该技术最早是由美国核潜艇的氧气发生器原理得来的,因为采用的是质子膜电解槽,通过电解纯水可物理分离高纯氢气和氧气,目前该设备在国内应用比较广泛,包括电厂、化工、冶金、玻璃、医疗、高端实验室等,逐渐有取代碱液电解制氢的趋势。且该技术设备体积较小,制取氢气纯度高,≥99.9995%,整个运行过程无污染,操作简单,并可实现远程无人值守。安全性能高,运行时间长,电解槽寿命一般在15年左右。

该型装置最大特点为采用纯水电解,无污染、无腐蚀,氢气纯度更高。相较传统碱性制氢装置,其优点包括可满足大电流密度工作,电流密度可达1A/cm2以上;能耗低、效率高,电解制氢效率可达85%以上;制氢装置体积小、重量轻;具有较好的宽功率波动供电适应性,可实现产氢量0~100%智能调控;装置集成化程度高,可实现长期稳定运行,启闭操作简单,维护成本低。

缺点是设备成本与碱液电解制氢相比成本较贵,主要来源于铂金催化剂,目前各个国家正在研究突破质子膜上铂金催化剂的替代材料,未来发展可期。

二、碱性水电解制氢原理

水电解制氢装置得到了越来越广泛的应用,包括新能源、电力、石化、医药、冶金、多晶硅、气象、航天等领域及各大气体公司。通过电解水法制得的氢气纯度可高达99% 以上,这是工业上制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠(钾)溶液时,阳极上放出氧气,阴极上放出氢气。

 

电解水制氢原理就是电解过程,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。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。 氢氧化钾等电解质不会被电解,现以氢氧化钾为例说明:

1)氢氧化钾是强电解质,溶于水后即发生如下电离过程:

于是,水溶液中就产生了大量的K+ 和 OH- 。

2)金属离子在水溶液中的活泼性不同,可按活泼性大小顺序排列如下:    K> Na > Mg> Al > Mn> Zn> Fe >Ni > Sn > Pb> H> Cu > Hg >Ag >Au,在上面的排列中,前面的金属比后面的活泼。

3)在金属活泼性顺序中,越活泼的金属越容易失去电子,否则反之。从电化学理论上看,容易得到电子 的金属离子的电极电位高,而排在活泼性大小顺序前的金属离子,由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。 H+ 的电极电位 =-1.71V ,而  K+ 的电极电位 =-2.66V ,所以,在水溶液中同时存在H+和 K+时, H+ 将在阴极上首先得到电子而变成氢气,而K+ 则仍将留在溶液中。

4)水是一种弱电解质,难以电离。而当水中溶有KOH 时,在电离的 K+ 周围则围绕着极性的水分子而 成为水合钾离子,而且因 K+ 的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下,K+ 带着有极性方向的水分 子一同迁向阴极这时H+ 就会首先得到电子而成为氢气。

 

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,见下图所示。

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:

  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。 

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