3. Характеристики электролизёра.

Электролизер на ТПЭ обладает более высоким КПД по сравнению со щелочным, так как потенциал перехода и перенапряжение перехода, а также перенапряжение проводимости ниже, чем в щелочном электролизере. Высокая плотность тока (до 3 А/см²), низкое энергопотребление (до 3,6-4,0 кВт×час/м³ при плотностях тока до 1 A/cм²), высокая чистота образующегося водорода (> 99,99 %) и кислорода (> 99,5 %), возможность получения водорода под высоким давлением (до 3,0 МПа и более) непосредственно в электролизере, что снижает затраты на компремирование водорода – определили интерес к этому типу электролизёров.

К достоинствам таких электролизеров относятся низкое удельное сопротивление электролита (10 ÷ 20 Ом^.см) и малое расстояние между электродами, так как толщина мембраны (150 ÷ 300 мкм) определяет низкие омические потери между электродами

Количество водорода G, л/ч, образующегося в процессе электролиза, определяется из уравнения

G = 3600^.I^.V₀^.N/2F, (1.8)

где V₀ - мольный объем водорода при н.у.; N – число ячеек электролизера.

В качестве энергетической характеристики электролизера воды на практике используется величина удельных затрат электроэнергии (W) на производство 1 м³ водорода при нормальных условиях (выход по энергии) с размерностью [кВтчас/м³]. Удельные энергозатраты определяются уравнением

, (1.9)

где I – сила тока, [A]; U – напряжение электролизера, [В]; t – время, [час]; V_{реальн.} – объем произведенного газа, [м³].

При сравнении эффективности различных электролизеров (батарей электролизных ячеек), в значение удельных энергозатрат (как и в КПД) обычно не включают затраты на работу вспомогательных систем, водоподготовку и т.п., а так же КПД выпрямителя тока, которые могут на 20% и более увеличивать удельные энергозатраты.

Теоретическая (термодинамическая) эффективность электролизёра:

(1.10)

Характеристикой производительности электролизёра принято считать выход по току, _т представляющий собой количество полученного за время t (секунд) молей водорода G_р, отнесённого к величине заряда, протёкшего через электролизёр.

_т = G_р^.F/I^.t

Реальная эффективность всегда ниже термодинамической и равна эффективности, умноженной на выход по току.

η_р = _т*_эл. (1.11)

Энергетический КПД η_эн электролизёра определяется, как отношение энергосодержания Q (Дж/моль) плученного водорода к количеству электроэнергии, затраченной на его получение.

η_эн = V_реальн^. ρ^. Q/I^.U^.t = Q^. ρ /W

Для промышленных щелочных электролизеров напряжение электролиза равно, как правило, U = 2,3 В. Электролизеры с ТПЭ имеют относительно низкие значения напряжения на электродах – параметра, характеризующего энергозатраты. При Т = 95⁰С и плотности тока i = 1 А/см² напряжение на ячейке составляет U = 1,78 В, а расход электроэнергии 4,3 кВт-ч на 1 м³ Н₂ при нормальных условиях.