Производство водорода методом электролиза воды реферат

Обновлено: 03.07.2024

Содержание

Введение. ……………………………………………………………….……………………. 1
Водородная энергетика.……………………………………………………………….………..2
Перспективы использования водорода в энергетике………….………………………….…..2
Топливные элементы……………………………………………….……………………. 3
Метода производства водорода………………………………………………………………..7
Производство водорода из различных источников сырья…………………………. ……. 7
Паровая конверсия метана и природного газа ………………………………………. 7
Газификация угля ………………………………………………………………………. 7
Электролиз воды…………………………………………………………………………. 7
Из биомассы………………………………………………………………………………….9
Из мусора……………………………………………………………………………………..9
Химическая реакция воды с металлами…………………………………………………. 9
Производство водорода из различных источников энергии ……………………………. 9
Из энергии ветра……………………………………………………………………………..9
Из энергии солнца………………………………………………………………………….10
Из атомной энергии………………………………………………………………………. 10
С использованием водорослей…………………………………………………………….10
Домашние системы производства водорода……………………………………………. 10
Из потока морской воды……………………………………………………………………11
Получение водорода в металлическом состоянии…………………………………………. 12
Проблемы производства водорода……………………………………………………. …….12
Водород как перспективное моторное топливо…………………………………………. …13
Перспективные преобразователи энергии для жидкого водорода………………………….18
Этапы внедрения энергетики в транспорте…………………………………………………..20
Новые отечественные технологии в производстве водорода……………………………….22
Водородный самолет: 23 часа без посадки…………………………………………………. 23
Первый автомобиль для массового потребления……………………………. ………….…23
Газель с ДВС, работающем на бензоводороде……………………………………………….25
Автомобиль ЗИЛ-5301 с экологически чистой комбинированной водородной установкой………………………………………………………………………………………26

Прикрепленные файлы: 1 файл

Промышленное производство водорода.doc

Рис. 1. Принцип действия топливного элемента (превращения химической энергии водорода в электроэнергию).

Сегодня развитые страны осуществляют разработку ряда видов топливных элементов. Основные из них следующие:

-PEFC или PEMFC – твердополимерный топливный элемент с протон-обменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cell);

-AFC — Щелочной топливный элемент (Alkaline Fuel Cells);

- DAFC или DMFC — Топливный элемент прямого действия на метаноле (Direct Methanol Fuel Cell);

-PAFC — Топливный элемент на фосфорной кислоте (Direct Methanol Fuel Cell);

-MCFC — Топливный элемент на расплаве карбоната (Molten Carbonate Fuel Cell);

-SOFC — Топливный элемент на твердом окисле (Solid Oxide Fuel Cell).

Рис. 2. Электрохимические реакции в различных типах топливных элементов.

Преимущества топливных элементов:

1. В топливных элементах нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике (рис. 3). В связи с этим КПД топливных элементов значительно выше, чем у традиционных энергоустановок, и может достигать 90%.

Рис. 3. Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами.

2. Имеется возможность практически мгновенного возобновления их энергоресурса — для этого достаточно установить новую емкость (картридж) с используемым топливом. Применение не расходуемых в процессе реакции электродов позволяет создавать топливные элементы с очень большим сроком службы.

3. Высокая экологическая чистота химических топливных элементов. Расходным материалом для топливных элементов служат лишь емкости с топливом, а основным продуктом реакции является обычная вода. Замена используемых в настоящее время батареек и аккумуляторов на топливные элементы позволит значительно сократить объем подлежащих переработке отходов, содержащих ядовитые и вредные для окружающей среды вещества.

Рис. 4. Области применения топливных элементов.

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики , первое звено в жизненном цикле употребления водорода . Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

Методы производства водорода.

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

К ним относятся:

паровая конверсия метана и природного газа
газификация угля
электролиз воды
пиролиз
частичное окисление
биотехнологии

В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии , так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов . Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия , позволяющая проводить электролиз воды.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям . Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

Производство водорода из различных источников сырья.

Паровая конверсия метана и природного газа (из углеводородов). В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700° − 1000°С смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора . Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение .

Газификация угля . Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°-1300°С без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen , которая будет работать на продуктах газификации угля . Электричество будут вырабатывать топливные элементы , используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля .

В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90% СО₂.

Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Электролиз воды. Производство водорода при помощи электролизеров выгодно отличают следующие достоинства:

• чистота получаемого водорода;

• экологически чистое производство;

• простота эксплуатации оборудования;

• длительный срок эксплуатации оборудования (минимум 10 лет).

Электролизеры предназначены для получения водорода и кислорода методом электролитического разложения воды.

• СЭУ-4М, СЭУ-10-2, СЭУ-20, СЭУ-40 с комплектующим технологическим оборудованием, работающим под давлением до 10 кгс/см 2 .

Назначение комплектующего оборудования:

• Отделение водорода и кислорода от электролита

• Промывка газов от электролитов

• Приготовление и хранение электролита

• Питание электролизера обессоленной водой

• Обеспечение равенства давления между водородным и кислородным пространством электролизера

• Продувка ресивера углекислым газом, остальных аппаратов - азотом

Изобретение относится к устройствам для получения кислорода и водорода электролизом водных растворов щелочи и может быть использовано либо в качестве элемента системы питания двигателя внутреннего сгорания, либо в качестве аппарата для газопламенной обработки материалов. Электролизер включает концевые монополярные электроды, между которыми через уплотнительные прокладки из эластичного материала последовательно зажаты чередующиеся диафрагмы и биполярные электроды, выполненные цельнометаллическими. Диафрагмы, биполярные электроды и уплотнительные прокладки имеют отверстия, образующие при сборке каналы для подвода электролита и отвода газов. Электролизер снабжен системой предотвращения скопления газов, содержащий тепловой датчик, логический элемент и источник постоянного тока. Логический элемент выходом соединен с электролизером, одним из входов - с источником постоянного тока, а другим входом - с тепловым датчиком. Верхняя часть каждой из диафрагм, расположенная над поверхностью электролита, выполнена газонепроницаемой. Данное выполнение устройства позволяет исключить возможность смешивания газов и их бесконтрольное накопление.

В электролизерах, заполненных 30%-ным раствором гидроокиси калия, под действием постоянного тока происходит электролитическое разложение воды на водород и кислород.
Газы выделяются из катодного и анодного пространств ячеек электролизеров, объединенных в водородный и кислородный каналы. Катодное и анодное пространство каждой ячейки разделено диафрагмой - асбестовой перегородкой. Гидроокись калия в данных условиях в процессе не участвует и предназначена для создания оптимальной электропроводности электролита.

После охлаждения и отделения от щелочи в разделительных колонках и дополнительной промывки в промывательных колонках газы через регуляторы давления проходят очистку от примеси (водород - от примеси кислорода, кислород от примеси водорода) в реакторах. После очистки в водороде содержится не более 0,001% об. кислорода, в кислороде не более 0,01% об. водорода. Затем газы направляются на распределительную гребенку, откуда могут сбрасываться в атмосферу, подаваться потребителю или в накопитель.

Для подачи в систему воды, взамен израсходованной на образование газов, служит приемный бак. Качество воды, которой заполняется бак и вся система, должно соответствовать требованиям, предъявляемым к дистиллированной воде.

Основные части установки изготовлены из нержавеющей стали, трубки из этого же материала использованы для обвязки и транспортировки газов и щелочи.

Недостатками данного электролизера являются высокие требования к качеству и точности закрепления биполярных электродов в металлических кольцевых рамах и низкая взрывобезопасность в процессе эксплуатации – возможно смешивание кислорода и водорода путем просачивания через диафрагму за счет разности давлений в кислородном и водородном отсеках ячейки, а также бесконтрольное накопление смеси газов и возможность появления взрыва.

Из биомассы. Водород из биомассы получается термохимическим , или биохимическим способом.

При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800°С (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄. Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии , например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов ( крахмал , целлюлоза ), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Из цепочки сахар - водород-водородный топливный элемент можно получить в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар- этанол - двигатель внутреннего сгорания . (См. полную статью Биоводород .)

Читайте также: