Методы производства водорода. Производительность системы по гидроксигазу. Энергетическая эффективность процесса электролиза. Отработка конструкции электролизной системы. Развитие электромобильного транспорта и соответствующей зарядной инфраструктуры.
Аннотация к работе
Национальный исследовательский университет Кафедра химии и электрохимической энергетикиВодород Hydrogen В природных соединениях Водорода на 1 атом 2Н приходится в среднем 6800 атомов 1Н. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10-15% от общего числа атомов Водорода). Массовые числа изотопов 1Н, 2Н, 3Н и 4Н, соответственно 1, 2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только один протон, дейтерия - один протон и один нейтрон, трития - один протон и 2 нейтрона, 4Н - один протон и 3 нейтрона. Атом Водорода имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона.Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха». «Водород представляет пример газа, - писал Д.И. Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же, как и воздух; но, при ближайшем знакомстве с его свойствами, этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха». В декабре 1783 Шарль в сопровождении физика Франсуа Робера в присутствии 400 тысяч зрителей предприняли первый полет на воздушном шаре, заполненном водородом.Вода разлагается на кислород и водород под действием электрического тока. Во-первых, памятуя о существовании закона сохранения энергии, можно рассчитать энергозатраты на электролиз через данные о теплотворной способности водорода как топлива. Используются результаты, полученные методом калориметрии - сколько энергии выделяется при горении водорода, столько же ее должно быть поглощено при его получении путем электролиза. Во-вторых, расчет энергозатрат можно вести по данным резонансной спектроскопии, поскольку при электролизе разрываются одни связи (с разрушением молекул воды) и замыкаются другие (с образованием молекул газов), а в настоящее время энергии каждого вида связи известны. Таким образом, суммарный объем гремучего газа, полученного из двух молей воды, составит 2 моль * 22,4 л/моль 1 моль * 22,4 л/моль = 67,2 л.Выход электрохимической реакции по току представляет собой отношение количества электричества (в кулонах, ампер-часах или любых других внесистемных единицах), потраченного на получение некоторого количества вещества, к теоретически необходимому для этого получения количеству электричества. Выход по току не может превышать 100%. При отсутствии в ячейке разделительной диафрагмы и сравнительно небольшой толщине слоя электролита затраты тока на эти конкурирующие реакции могут составлять от 3 до 5%. Многие производители систем для получения гидроксигаза на борту авто уверяют потенциальных покупателей в том, что в их системах получается именно химически активный одноатомный газ (ННО), состоящий в основном из атомов водорода и кислорода, а не молекул. Порядок энергии связи в молекулах таков, что даже при температуре в 2000°C степень диссоциации (распада) молекул на атомы составляет для водорода и кислорода 0,081% и 0,03% соответственно, полная диссоциация наблюдается при температуре на короне Солнца - выше 6000°C (источник (водород), источник (кислород)).Вспомним из предыдущего изложения, что для получения при нормальных условиях одного литра газа в одной электрохимической ячейке через нее необходимо пропустить 5743 Кл электричества. Для получения производительности этого электролизера по газу в один литр в минуту он должен потреблять ток 95,72/6 = 15,95 ампер. Если учитывать, что при электролизе в предлагаемых системах получаемый газ имеет как минимум комнатную температуру, то получается очень просто запоминаемое соотношение: 6 ячеек - потребление тока 15 ампер - выход газа 1 литр в минуту. Если используется идеальный по токовому выходу электролизер с 12 ячейками, то производительность по газу при том же токе удваивается: 12 ячеек - потребление тока 15 ампер - выход газа 2 литра в минуту. Основываясь на предыдущем изложении, получаем формулу: U - среднее напряжение на электролизере [В], I - ток через электролизер [А], t - время [сек], в течение которого производится объем газа V[л], 7060 Дж/л - минимальная энергия для производства одного литра газа при нормальных условиях.Электролизер включает корпус, размещенные в нем последовательно соединенные между собой ячейки, состоящие из катода, анода, размещенной между ними газозапорной мембраны, насосы для циркуляции щелочного электролита, емкости с щелочным электролитом, систему подачи воды, устройство для отделения кислорода от паров воды и щелочи и устройство для отделения водорода от паров воды и щелочи. Причем анод и катод каждой из ячеек размещены вплотную к газозапорной мембране с образованием катодной газовой полости между внешней стороной катодов и корпусом, соединенной с емкостью гидрозатвора, емкостью щелочного электролита и устройством для отделения водорода от паров воды и щелочи.
План
Содержание
Введение
1. История
2. Методы производства водорода
3. Выход реакции по току
4. Производительность системы по гидроксигазу
5. Энергетическая эффективность процесса электролиза (КПД электролизера)
6. Электролизер
7. Сравнение метода получения водорода путем электролиза воды с другими методами
Заключение
Введение
Водород
1 H
Водород Hydrogen
()1s0
Атомный номер 1 Атомная масса 1,0079 Плотность, кг/м? 0,0898 Температура плавления, °С -259,1 Температура кипения, °С -252,8 Теплоемкость, КДЖ/(кг·°С) 14,442 Электроотрицательность 2,1 Ковалентный радиус, A 0,32 1-й ионизац. потенциал, эв 13,60
Водород (лат. Hydrogenium), H, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,0079. При обычных условиях Водород - газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.
Изотопы, атом и молекула Водорода. Обыкновенный Водород состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: легкого Водорода, или протия (1H), и тяжелого Водорода, или дейтерия (2Н, или D). В природных соединениях Водорода на 1 атом 2Н приходится в среднем 6800 атомов 1Н. Радиоактивный изотоп с массовым числом 3 называют сверхтяжелым Водородом, или тритием (3Н, или Т), с мягким ?-излучением и периодом полураспада T? = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10-15% от общего числа атомов Водорода). Получен крайне неустойчивый изотоп 4Н. Массовые числа изотопов 1Н, 2Н, 3Н и 4Н, соответственно 1, 2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только один протон, дейтерия - один протон и один нейтрон, трития - один протон и 2 нейтрона, 4Н - один протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов Водорода обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.
Атом Водорода имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом Водород может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н- при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома Водород, а, следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом Водорода используется как модельный в квантово-механических расчетах энергетических уровней других, более сложных атомов.
Молекула Водород Н2 состоит из двух атомов, соединенных ковалентной химической связью. Энергия диссоциации (то есть распада на атомы) составляет 4,776 эв. Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414A. При высоких температурах молекулярный Водород диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). Атомарный Водород образуется также в различных химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако существование Водорода в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы Н2.