数ブラウズ：0 著者：サイトエディタ 公開された： 2022-06-01 起源：パワード
1.水素の工業生産方法
産業では、通常、水素を生成するために次の方法が使用されます。1つは、熱いコーラ（炭素還元方法と呼ばれる）に水蒸気を通過して、純度約75％の水素を得ることです。もう1つは、温水蒸気を温水蒸気に通し、97％未満の純度で水素水素を得ることです。 3つ目は、水ガスから水素を抽出することであり、得られた水素の純度も低いです。 4番目の方法は水の電気分解であり、得られた水素の純度は99％以上の高さであり、これは水素の産業準備であり、重要な方法です。ナトリウム（カリウム）水酸化物溶液の電気分解中、酸素が陽極で放出され、水素がカソードで放出されます。水素は、塩化ナトリウム水溶液を電解して水酸化ナトリウムを生成することによっても得られます。
発電機を冷却するために使用される水素の純度は比較的高いため、水の電解方法によって生成されます。
2.水の電解による水素生産の原理
いわゆる電気分解は、直接電流の作用により、水に溶解した電解質を新しい物質に分解するプロセスです。
直接電流がいくつかの電解質水溶液に適用される場合、分解された物質は元の電解質とはまったく関係ありません。分解された水は溶媒であり、元の電解質は水中に残ります。たとえば、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど。すべてこのタイプの電解質に属します。
電解水の場合、純水は、その小さなイオン化度と導電率が低いため、典型的な弱い電解質です。したがって、溶液の導電率を高めるために、前述の電解質を追加する必要があるため、水を水素と酸素に滑らかに電解させることができます。
水酸化カリウムなどの電解質は電解されません。説明する例として、水酸化カリウムを服用してください。
（1）水酸化カリウムは強力な電解質です。水に溶解した後、次のイオン化プロセスが発生します。
その結果、水溶液で大量のK+とOH-が生成されます。
（2）水溶液中の金属イオンの反応性は異なりますが、これは次のように反応性の順に配置できます。
k> na> mg> al> mn> zn> fe> ni> sn> pb> h> cu> hg> ag> au
上記の配置では、前面の金属は背面よりも活気があります。
（3）金属活動の順序では、金属がより活性になるほど、電子を失うのが容易になります。そうしないと、反対が真実です。電気化学理論の観点から見ると、電子を取得しやすい金属イオンの電極電位は高く、活性の順にランクされた金属イオンは、電極電位が低いために電子を得ることが困難であり、原子になります。 H+= -1.71Vの電極電位、およびK+= -2.66Vの電極電位。したがって、H+とK+が同時に水溶液に存在する場合、H+は最初にカソード上の電子を得て水素ガスになりますが、K+は依然として溶液のままです。
（4）水は弱い電解質であり、イオン化が困難です。 KOHを水に溶解すると、極水分子はイオン化K+を囲んで水和カリウムイオンになり、水分子はK+の作用により極方方向を持っています。直接電流の作用の下で、K+は極方向の水分子を使用してカソードに移動し、次にH+は最初に電子を取得して水素になります。
直接電流が水酸化カリウム溶液に適用されると、それぞれカソードとアノードで次の排出反応が発生します。
（1）陰極反応。電解質のH+（水のイオン化後に生成）はカソードに引き付けられ、カソードに移動し、電子を受け入れ、水素を放出し、放電反応は次のとおりです。
（2）アノード反応。 OH-電解質はアノードに引き付けられ、アノードに移動し、最終的に電子を放出して水と酸素になります。放電反応は次のとおりです。
結合されたカソードとアノードの合計反応式は次のとおりです。
電解
したがって、電解質としてKOHを使用した電気分解プロセスでは、水は実際に水素と酸素を生成するために電解され、KOHは運搬料金のみを果たします。
電解水の場合、電解細胞に適用されたDC電圧は、電解細胞のさまざまな抵抗電圧降下と電極分極電気化電力を克服するために、水の理論的分解電圧よりも大きくなければなりません。電極偏光電気化力は、カソード水素進化の過方向とアノード酸素進化の過激性の合計です。したがって、水電解電圧uは次のように表現できます。
フォーミュラでは、U0——水の理論的分解電圧、V;
i-電解電流、a;
R——電解細胞の総抵抗、ω;
- 卵形成過剰、V;
- 酸素オーバーポテンシャル、V。
エネルギー消費の観点から見ると、電気分解電圧を可能な限り低減する必要があります。電解電圧に影響を与えるいくつかの要因については、以下で説明します。
（1）水の理論的分解電圧UO。熱力学的研究により、一次バッテリーによって行われる最大電気作業は、反応部位でのエネルギーの変化の減少に等しいと結論付けています。
式では、標準状態のバッテリー反応のギブス自由エネルギーの変化j/mol。
n - 反応における電子移動の数。
f-ファラデー定数、96500c/mol; E0-標準状態の反応の標準電力力、V。
生成水の化学反応では、自由エネルギーは-474.4kj/mol、つまり
2h2（g）+o2（g）= 2h2o（1）
これは酸化還元反応であり、2つの電極での半分反応は次のとおりです。
O2+4H ++ 4E = 2H2O
2H2 = 4H ++ 4E
= -NFE0で得られた電子転送n = 4の数n = 4
—474.4×103 = -4×96500E0
0.1MPaおよび25°Cで、U0 = 1.23Vであることがわかります。水電解中に提供する必要があるのは最小電圧であり、温度の上昇とともに減少し、圧力の上昇とともに増加し、圧力が10倍に増加すると、電圧は約43mV増加します。
（2）水素、酸素の過方向性。水素と酸素の過剰に影響する多くの要因があります。まず、電極材料と電極の表面状態は、それに大きな影響を与えます。たとえば、鉄とニッケルの水素過剰は鉛、亜鉛、水銀のそれよりも低く、鉄とニッケルの酸素過剰は鉛の酸素よりも低くなっています。電解質と接触面積が大きいほど、電極表面が粗くなるほど、水素と酸素の過方位容量が小さくなります。第二に、電気分解中に電流密度が増加すると、それに応じて過ポテンシャルが増加し、温度の上昇も過激の増加を引き起こします。さらに、過ポテンシャルは、電解質およびその他の要因の特性、濃度、不純物にも関連しています。たとえば、ニッケル電極では、希釈溶液の酸素過剰が濃縮溶液のそれよりも大きくなります。
水素と酸素過剰を減らすために、いくつかの方法をとることができます。作業温度の上昇や適切な電極材料の使用など。さらに、電極の実際の表面積を適切に増加させるか、電極表面を粗くすると、電極抵抗と過ポテンシャルをさまざまな程度に減らし、それにより作業電圧を減らす目的を達成します。
（3）抵抗電圧降下。電解細胞の総抵抗には、電解質の抵抗、ダイアフラムの抵抗、電極の抵抗、および接触抵抗が含まれ、その中で最初の2つが主な要因です。横隔膜抵抗電圧降下は、材料の厚さと特性に依存します。一般的なアスベストダイアフラムを使用して、電流密度が2400a/m2の場合、ダイアフラム抵抗の電圧低下は約0.25〜0.30Vです。電流密度が増加すると、電圧降下は約0.5Vに増加します。電解質の導電率が高いほど、電解質の電圧低下が小さくなります。電解質の場合、その小さな抵抗値に加えて、電気分解電圧の下で分解しないことも必要です。揮発のために水素と酸素で逃げることはありません。電解細胞の材料に対して非腐食性です。ソリューションのpH値が変更される場合、特定のバッファリングパフォーマンスが必要です。
ほとんどの電解質は、電解中に簡単に分解され、水の電解中に使用しないでください。硫酸は、アノードでペルサルフィア酸とオゾンを発生させます。これは非常に腐食性であり、使用すべきではありません。強力なアルカリは上記の要件を満たすことができるため、KOHまたはNAOH水溶液は一般に産業の電解質として使用されます。 KOHの導電率はNAOHの導電率よりも優れていますが、価格はより高価です。より高い温度では、電解細胞に対する腐食効果もNaOHの腐食効果よりも強いです。過去には、Naohは私の国の電解質としてよく使用されていました。ただし、電流電解器の材料がKOHの腐食に抵抗することができたという事実を考慮して、電気を節約するために、KOH溶液は一般に電解質として使用されています。
さらに、電解水の電解の過程で、電解質には連続的に沈殿した水素と酸素泡が含まれ、電解質の抵抗が増加します。電解質の馬の泡の体積の割合は、泡を含む電解質の体積に対する電解質の体積に対する電解質のガス含有量と呼ばれます。ガス含有量は、電気分解中の電流密度、電解質の粘度、泡のサイズ、作業圧力、電解細胞の構造に関連しています。電解質の循環率と作動圧力を上げると、ガス含有量が減少します。電流密度を上げるか、作業温度を上げると、ガス含有量が増加します。実際の状況では、電解質の泡は避けられないため、電解質の抵抗は気泡がないよりもはるかに大きくなります。ガス含有量が35％に達すると、電解質の抵抗は泡のない2倍です。
動作電圧を下げることは、消費電力を削減するために有益であり、水素、酸素過剰、抵抗電圧低下を減らすために効果的な測定値をとる必要があります。一般に、電流が小さい場合、前者が主な要因です。そして、電流が大きい場合、後者が主な要因になります。
電解細胞が高作業圧力下で動作すると、電解質のガス含有量が減少し、それにより電解質の抵抗が減少します。このため、3 MPaの圧力の下で動作できる電解セルが開発されました。ただし、作業圧力が高すぎるべきではありません。そうしないと、電解質への水素と酸素の溶解度が増加し、横隔膜を介して水を再生し、それによって現在の効率が低下します。作業温度を上げると、電解質の抵抗が低下する可能性がありますが、電解質の電解細胞への腐食も増加します。温度が90℃を超える場合、電解質はアスベストダイアフラムに深刻な損傷を引き起こし、アスベストダイアフラムに可溶性ケイ酸塩を形成します。このため、ニッケル粉末冶金フレークやチタン酸カリウム繊維やポリテトラフルオロエチレンに結合したダイアフラム材料など、さまざまな高温耐性ダイアフラム材料が開発されています。電解質の抵抗を減らすために、電解細胞の電流密度を減らし、電解質の循環速度を高速化し、電極間の距離を適切に減らすこともできます。
