电解水制氢一公斤需要多少电?
查看氢气的燃烧热或者水的生成焓,计算出1000g氢气燃烧成水放出多少热量,一度电是1kWh,就是3600kJ的能量。
1000g氢气是500mol,水的生成焓是-285.830KJ/mol,所以一共放出热量500*285.83kJ,在除以3600,结果是39.7度电。
固体聚合物电解质
固体聚合物电解质,SPE电解水,最初用于向宇宙飞船或潜水艇供氧,或在实验室作为氢气发生器(可用于气体色谱)。核电大规模发展以后,人们利用SPE技术在用电低谷电解水产生氢,在供电高峰以SPE氢-氧燃料电池向外供电,使之成为能量贮存转换装置 。
电解纯水
通过直接电解纯水产生高纯氢气(不加碱),电解池只电解纯水即可产氢。通电后,电解池阴极产氢气,阳极产氧气,氢气进入氢/水分离器。氧气排入大气。
氢/水分离器将氢气和水分离。氢气进入干燥器除湿后,经稳压阀、调节阀调整到额定压力(0.02~0.45Mpa可调)由出口输出。电解池的产氢压力由传感器控制在0.45Mpa左右,当压力达到设定值时,电解池电源供应切断;压力下降,低于设定值时电源恢复供电。
利用氢气燃烧热值(142500KJ/KG)进行反算,一个标方氢气质量89g,利用能量守恒定律,可计算得出一标方氢气所需能量是142.5KJ/g*89=12682.5KJ,一度电=3600kj,即理论上一个标方氢气所需耗电量为12682.5/3600=3.523度。
这是电解水制氢理论耗电量,但受电解效率以及发热损失等的影响,实际电耗会大于理论耗电。目前中科院大连化物所李灿院士团队采用新技术可将电解水能耗控制在4.2度/Nm³。
假设氢气为理想气体。根据理想气体状态方程pV=nRT,298K、1标准大气压下1立方米氢气其物质的量为40.9mol,至少需消耗电能237100×40.9 = 969.7万焦。
实际需要用5千瓦时的电,1千瓦时等于1000J/s×3600s = 360万焦,5千瓦时就是1800万焦,969.7÷1800 = 54%。很多情况下实际结果能有理论值的20%-30%就不错了,能有大于50%的利用率真是不容易。
第二个制约的因素是设备成本,大型水电解制氢设备的成本相对于其他方式也偏高。
第三个因素是设备大型化,目前能制造出来的单台最大为1000立方,应用于能源来说还是太小。设备大型化后可以降低设备制造成本。
其他的因素就是市场应用,水电解在氢气作为能源前只有用于特殊工业应用,没有市场支撑导致技术研发进步缓慢,单体制造成本下降困难。
水电解的优点是,技术成熟,工艺简单,气体纯度高,是目前唯一一种能与可再生能源衔接制氢方式。