ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Концентрационные электролизеры

В обычном электролизере минимальное количество электр; ской энергии, необходимой для разложения воды на водород и кислород, щ но изменению свободной энергии AG в этом процессе. В концентрацией > электролизерах часть этого количества энергии может быть получена из неэл. трических источников.

Выделяется 1 * Выделяется

У / Ш ►

Рис. 8.6. Реакции, протекающие в концентрационном электролизере

Рассмотрим в качестве примера устройство, изображенное на рис. 8.6 тройство представляет с собой обычный электролизер с ионообменной м раной с той разницей, что анод погружен в концентрированный раствор К а катод — в дистиллированную воду. Как показано на рисунке, молекулы К( диссоциируют на ионы К+ и ОН-. Мембрана проницаема для положительно в женных ионов, но непроницаема для отрицательных ионов и электронов, поэт ионы К1 свободно перемещаются к катоду, где они вступают в реакцию с boj.;** регенерируют до молекул КОН с образованием Н+. Гидроксильный ион теря аноде за счет внешнего источника энергии свой отрицательный заряд, в резл

чего образуются молекулы воды, кислорода и электроны. Кислород является одним из конечных продуктов, получаемых в рассматриваемой системе. Электроны за счет внешнего источника энергии поступают на катод, где происходит их рекомбинация с протонами и образуется водород — другой конечный продукт.

Вследствие перемещения ионов К+ электрический заряд на аноде по абсолют­ному значению становится больше заряда на катоде, поэтому электролизер работает как электрическая батарея, включенная последовательно с внешним источником электрической энергии. Для завершения процесса электролиза внешний источник должен поддерживать напряжение, равное расчетному напряжению в обычном элек­тролизере минус внутреннее напряжение концентрационного электролизера.

Можно показать, что внутреннее напряжение

V = 2,3^ (рНА - РНС),

где рНА и рНс — pH раствора в прианодной и прикатодной областях соот­ветственно.

Если анод помещен в концентрированный раствор КОН, а катод — в ди­стиллированную воду, то рНА = 14, а рНс = 7, следовательно, внутреннее на­пряжение электролизера равно 0,42 В.

Таким образом, напряжение от внешнего источника, необходимое для питания идеального концентрационного электролизера при нормальных условиях, рав­но 1,23 - 0,42 = 0,81 В, а КПД такого электролизера составит 1,48 / 0,81 = 1,83. Напряжение внешнего источника можно еще сильнее понизить, если поместить катод не в дистиллированную воду, а в раствор кислоты.

Очевидно, что в процессе работы электролизера концентрация КОН вблизи анода уменьшается, а у катода увеличивается. Для обеспечения непрерывной работы необходимо поддерживать дисбаланс концентраций. Одним из способов "вляется непрерывное омывание катода дистиллированной водой и восстанов - іение концентрации получаемого слабого раствора КОН. Раствор с восстанов­ленной концентрацией затем подается в прианодную область.

Для восстановления концентрации КОН можно использовать низкопотен- циальную тепловую энергию. В любом случае затраты на восстановление кон­центрации раствора существенно меньше, чем стоимость сэкономленной элек­трической энергии.

Какое напряжение может быть получено в концентрационной ячейке? Соот­ношение для ЭДС концентрационной ячейки:

Так как ln/V = 2,3 log N и по определению - log/V = pH, то

Во многих областях применения водорода, таких как изводство аммиака или использование водорода в топливных элементам транспорте, необходимо, чтобы газ находился под высоким давление: ким образом, часто на предприятиях по получению водорода использ компрессор.

С помощью электролизера можно получать водород, который будет к давление выше давления окружающей среды, если на выходе из электрс ра установить дроссель, как это сделано на оборудовании фирм Lurgi, Тек и General Electric. Однако при использовании данного способа максима' давление водорода ограничено значениями, которые существенно ниже, требуется в некоторых областях применения.

С другой стороны, давление в системе можно повысить, если поместить а тролизер в сосуд высокого давления. По экономическим причинам необход чтобы оборудование было компактным, иначе затраты на изготовление сос высокого давления станут чрезмерно большими.

По данным, приведенным в табл. 8.2., видно, что только электролизе твердополимерным электролитом (ТПЭ) и, может быть, некоторые из пре.* руемых электролизеров с керамической мембраной удовлетворяют требо компактности. Удельный объем электролизера с твердополимерным эле том почти на два порядка меньше, чем удельный объем электролизера выс давления с электролитом КОН.

Затраты энергии на сжатие воды при подаче ее в сосуд высокого д ния оказываются минимальными, так как объем подводимой воды достат мал. Однако определенное количество энергии расходуется на «электро. ческое» сжатие полученных газов. Теоретически, если давление получа. в электролизере кислорода равно ра^ , а давление водорода равно рн. расчете на 1 кмоль водорода необходимо затратить дополнительное колг во энергии по сравнению с работой электролизера при постоянном давле газов р0. При условии, что температура газов 7(|, это количество энер очевидно, определяется работой сжатия в изотермическом процессе и

RTo ы(Ро22Рн2Ро3/2) -

На практике работа сжатия оказывается несколько выше теоретическ значения, так как при увеличении давления уменьшается КПД электролг ионообменной мембраной.

Огромным преимуществом электролитического сжатия является пр процесса и экономичность технического обслуживания системы, так как в отсутствуют подвижные части.