1. 수소의 산업적 생산 방법
산업계에서는 일반적으로 수소를 생산하는 데 다음과 같은 방법을 사용합니다. 하나는 수증기를 뜨거운 코크스(탄소 환원법)에 통과시켜 순도 약 75%의 수소를 얻는 것입니다. 다른 하나는 수증기를 뜨거운 철에 통과시켜 순도 약 75%의 수소를 얻는 것입니다. 세 번째 방법은 수성 가스에서 수소를 추출하는 것이며, 얻은 수소의 순도도 낮습니다. 네 번째 방법은 물의 전기 분해법으로, 생성된 수소의 순도는 99% 이상으로 높을 수 있습니다. 이것은 산업계에서 수소를 제조하는 방법입니다. 중요한 방법입니다. 수산화나트륨(칼륨) 용액의 전기 분해 동안, 산소는 양극에서 방출되고 수소는 음극에서 방출됩니다. 수소는 또한 염화나트륨 수용액을 전기 분해하여 수산화나트륨을 생성하여 얻을 수 있습니다.
2. 물 전기분해에 의한 수소 생산의 화학적 원리
소위 전기분해는 직류의 도움으로 물에 용해된 전해질을 새로운 물질로 분해하는 과정입니다. 직류를 일부 전해질 수용액에 흘릴 때 분해된 물질은 원래 전해질과 아무런 관련이 없습니다. 분해되는 것은 용매인 물이고 원래 전해질은 물 속에 남습니다. 예를 들어 황산, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등은 모두 이러한 유형의 전해질에 속합니다.
물을 전기 분해할 때, 순수한 물은 이온화가 매우 적고 전도도가 낮기 때문에 전형적인 약한 전해질입니다. 따라서 앞서 언급한 전해질을 첨가하여 용액의 전도도를 높여 물이 수소와 산소로 원활하게 전기 분해될 수 있도록 해야 합니다. 수산화칼륨과 같은 전해질은 전기 분해되지 않습니다. 수산화칼륨을 예로 들어 보겠습니다.
(1) 수산화칼륨은 강전해질입니다. 물에 녹으면 다음과 같은 이온화 과정이 발생합니다.
KOH-K+텐OH-
그 결과, 수용액 중에 많은 양의 K+와 OH-가 생성되었다.
(2) 수용액에서 금속이온의 반응성은 다르다. 반응성 순서대로 정리하면 다음과 같다.
K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>오
위의 배열에서 앞쪽의 금속은 뒤쪽의 금속보다 더 생동감이 있습니다.
(3) 금속의 활성도 순서로 보면, 금속이 활성적일수록 전자를 잃기 쉽고, 그렇지 않으면 그 반대이다. 전기화학 이론의 관점에서 볼 때, 전자를 쉽게 얻을 수 있는 금속 이온은 전극 전위가 높은 반면, 활성도 순서에서 1위를 차지한 금속 이온은 전극 전위가 낮아 전자를 얻기 어렵고 원자가 된다. 수소 이온의 전극 전위는 -1.71V인 반면, 칼륨 이온의 전극 전위는 -2.66V이다. 따라서 수용액에 수소 이온과 칼륨 이온이 동시에 존재할 경우, 수소 이온은 먼저 음극에서 전자를 얻어 수소 기체가 되고, 칼륨 이온은 용액 속에 남게 된다.
(4) 물은 약한 전해질로 이온화하기 어렵다. 수산화칼륨을 물에 녹이면 이온화된 칼륨 이온은 극성 물 분자에 둘러싸여 수화된 칼륨 이온이 된다. 칼륨 이온의 작용으로 물 분자는 극성 방향을 가지게 된다. 직류의 작용으로 극성 방향을 가진 칼륨 이온과 수화된 분자는 음극으로 이동한다. 이때 수소 이온은 먼저 전자를 얻어 수소 가스가 된다. 따라서 수산화칼륨을 전해질로 사용하는 전기 분해 공정에서 물은 실제로 전기 분해되어 수소와 산소를 생성하고 수산화칼륨은 전하를 운반하는 역할만 한다.
3. 전기분해 전압
물을 전기분해할 때, 전해셀에 인가되는 DC 전압은 전해셀 내의 다양한 저항 전압 강하와 전극 분극 기전력을 극복하기 위해 물의 이론적인 분해 전압보다 커야 한다. 전극 분극 기전력은 수소가 음극에서 침전될 때의 과전압과 산소가 양극에서 침전될 때의 과전압의 합이다. 따라서 물 전기분해 전압 U는 다음과 같이 표현할 수 있다. U=U0+IR+수소 과전압+산소 과전압
수식에서 U0--물 이론분해전압 V;
I--전기분해 전류, A
R--전해셀의 총 저항, Ω
에너지 소비 관점에서 전기분해 전압은 가능한 한 낮춰야 합니다. 전기분해 전압에 영향을 미치는 요인은 주로 다음 세 가지 측면을 포함합니다.
(1) 이론적인 분해전압(3.1MPa, 25도에서 약 1.23V)은 온도의 증가에 따라 감소하고 압력의 증가에 따라 증가합니다. 압력이 10배 증가할 때마다 전압은 약 43mV씩 증가합니다.
(2) 수소와 산소 과전압. 수소와 산소의 과전압에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있습니다. 우선 전극 재료와 전극 표면 상태가 더 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 철과 니켈의 수소 과전압은 납, 아연, 수은 등의 과전압보다 낮고 철과 니켈의 산소 과전압은 납, 아연, 수은의 과전압을 초과합니다. 전위도 납보다 낮습니다. 전해질과의 접촉 면적이 클수록 또는 전극 표면이 거칠수록 발생하는 수소와 산소 과전압은 작아집니다. 둘째, 전기 분해 중 전류 밀도가 증가함에 따라 과전압이 그에 따라 증가하고 온도가 상승하면 과전압도 증가합니다. 또한 과전압은 전해질의 특성, 농도, 용액의 불순물과 같은 요인과도 관련이 있습니다. 예를 들어 니켈 전극에서 희석 용액의 산소 과전압은 농축 용액의 산소 과전압보다 큽니다.
수소와 산소 과전압을 줄이기 위해 몇 가지 방법을 채택할 수 있다. 예를 들어 작동 온도를 높이고 적절한 전극 재료를 사용하는 것이다. 또한 전극의 실제 표면적을 적절히 늘리거나 전극 표면을 거칠게 하면 전극 저항과 과전압을 다양한 정도로 줄일 수 있어 작동 전압을 낮추는 목적을 달성할 수 있다.
(3) 저항 전압 강하. 전해조의 총 저항에는 전해질 저항, 다이어프램 저항, 전극 저항 및 접촉 저항이 포함되며, 그 중 처음 두 가지가 주요 요인입니다. 다이어프램 저항 전압 강하는 재료의 두께와 특성에 따라 달라집니다. 일반적인 석면 다이어프램을 사용하여 전류 밀도가 2400A/m2일 때 다이어프램 저항의 전압 강하는 약 0.25-0.30V입니다. 전류 밀도가 다시 증가하면 전압 강하는 약 0.5V로 증가합니다. 전해질의 전도도가 높을수록 전해질의 전압 강하는 작아집니다. 전해질의 경우 저항 값이 작을 뿐만 아니라 전해 전압에서 분해되지 않아야 합니다. 휘발로 인해 수소 및 산소와 함께 빠져 나가지 않아야 합니다. 전해조 재료를 부식시키지 않아야 합니다. 용액의 pH 값이 변경될 때 일정한 완충 성능이 있어야 합니다.
대부분의 전해질은 전기 분해 중에 분해되기 쉽기 때문에 물을 전기 분해할 때는 사용해서는 안 됩니다. 황산은 양극에서 과황산과 오존을 생성하는데, 이는 매우 부식성이 강하기 때문에 사용해서는 안 됩니다. 강알칼리는 위의 요구 사항을 충족할 수 있으므로 일반적으로 산업계에서는 KOH 또는 NaOH 수용액을 전해질로 사용합니다. KOH는 NaOH보다 전기 전도도가 좋지만 비쌉니다. 고온에서는 전해 셀에 대한 부식 효과가 NaOH보다 강합니다. 과거에는 NaOH가 우리나라에서 전해질로 자주 사용되었습니다. 그러나 현재 전해 셀 재료가 이미 KOH의 부식에 강하다는 사실을 감안할 때 전기 에너지를 절약하기 위해 전해질로 KOH 용액을 사용하는 것이 일반적인 추세입니다. 또한 물을 전기 분해하는 과정에서 전해질에는 지속적으로 침전되는 수소와 산소 기포가 포함되어 전해질의 저항이 증가합니다. 전해질의 기포 부피가 기포를 포함한 전해질 부피에 대한 백분율을 전해질의 가스 함량이라고 합니다. 가스 함량은 전기 분해 중 전류 밀도, 전해질 점도, 기포 크기, 작동 압력 및 전해 셀 구조 및 기타 요인과 관련이 있습니다. 전해질의 순환 속도와 작동 압력을 높이면 가스 함량이 감소하고 전류 밀도를 높이거나 작동 온도를 높이면 가스 함량이 증가합니다. 실제 상황에서 전해질의 기포는 불가피하므로 전해질의 저항은 기포가 없는 경우보다 훨씬 커집니다. 가스 함량이 35%에 도달하면 전해질의 저항은 기포가 없을 때의 두 배가 됩니다. 작동 전압을 낮추면 전력 소비를 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 이유로 수소 및 산소 과전압과 저항 전압 강하를 줄이기 위한 효과적인 조치를 취해야 합니다. 일반적으로 전류가 작을 때는 전자가 주요 요인이고 전류가 클 때는 후자가 주요 요인이 됩니다.
전해조가 높은 작동 압력에서 작동할 때, 전해질의 가스 함량은 감소하여 전해질의 저항을 감소시킨다. 이러한 이유로, 3MPa의 압력에서 작동할 수 있는 전해조가 개발되었다. 그러나 작동 압력 게이지는 너무 높아서는 안 된다. 그렇지 않으면 전해질에서 수소와 산소의 용해도가 증가하여 다이어프램을 통해 물을 재생하게 되어 전류 효율이 감소한다. 작동 온도를 높이면 전해질의 저항도 감소할 수 있지만 전해질에 의한 전해질의 부식도 심화된다. 온도가 90도 이상인 경우 전해질은 석면 다이어프램에 심각한 손상을 입히고 석면 다이어프램에 가용성 규산염을 형성한다. 이를 위해 고온 부식을 위한 다양한 다이어프램 재료가 개발되었는데, 예를 들어 니켈 분말 야금 시트와 칼륨 티타네이트 섬유와 폴리테트라플루오로에틸렌으로 결합된 다이어프램 재료는 150도에서 알칼리 용액에서 사용할 수 있다. 전해질의 저항을 줄이기 위해 전해셀의 전류 밀도를 채택할 수도 있고, 전해질의 순환 속도를 빠르게 하고, 전극 사이의 거리를 적절히 줄일 수도 있습니다.