淺談電解水制氫的原理及發(fā)展＊

王茂輝，吳震

（重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520）

1 電解水制氫工作原理

電解水的裝置原理圖如下圖1 所示。當(dāng)施加足夠大的電壓時，水分子將在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧氣。我們可以將陰極的氫氣儲存起來用作燃料，而陽極的氧氣就直接釋放到大氣中。因此電解水的過程可以被概括為兩個半反應(yīng)，即：陰極析氫反應(yīng)和陽極析氧反應(yīng)。

在電解水時，純水是弱電解質(zhì)，的電離程度非常低，導(dǎo)電性比較差，在純水中加入某些容易電離的物質(zhì)，使得電解液的pH 值發(fā)生變化，水分解的化學(xué)反應(yīng)過程將會受到影響。

（1）在酸性介質(zhì)中：

陰極反應(yīng)：2H++ 2e-→ H2(g)

陽極反應(yīng)：H2O(l)→ 2H++ 1/2O2(g) + 2e-

圖1 電解水裝置原理圖

（2）在中性和堿性介質(zhì)中：

陰極反應(yīng)：2H2O(l)+ 2e-→ H2(g) + 2OH-

陽極反應(yīng)：2OH-→ H2O + 1/2O2(g)+ 2e-

總反應(yīng)：2H2O(l)→ 2H2(g)+ O2(g)

2 電解水電壓

在溫度為25℃和一個大氣壓的條件下，水分解反應(yīng)的熱力學(xué)電壓E0= 1.23 V，然而在實際的電解水過程中，存在著許多的反應(yīng)阻力（如圖2），使得實際施加的電壓均大于1.23 V。一般地，定義超過1.23 V 部分的電壓為電解水的過電壓（η），這部分η主要用于補償兩個電極和溶液電阻及接觸電阻部分所消耗的電能。因此，實際電解水的電路電壓可以用如下方程描述：

Eop= 1.23 V +ηa+ηc+ηo

其中ηa和ηc由兩電極自身的固有活化能壘決定，ηo則是除兩電極以外的因素所產(chǎn)生的能壘值。

圖2 電解水體系中的阻力模擬示意圖

從圖上可以看出來，點解水需要較多的電能，考慮到經(jīng)濟效益和能量消耗等因素，在滿足電解水基本的要求下，電解電壓越低越好。從以下幾個方面研究電解電壓的影響因子：

（1）兩電極ηa和ηc值。在氫、氧的均為超電勢前提下。一方面，電極材料本身，電極的表面狀態(tài)對電解電壓值都有影響，不同金屬超電勢不一樣。氫、氧超電勢強弱與電解材料和電解液的接觸面積大小成反比，與電極表面粗糙程度成反比。另一方面，超電勢會隨著電流密度的增大而增大，溫度下降也會導(dǎo)致超電勢的減小。有很多方法可以降低氫、氧超電勢，如果電極材料選用的合適，提高工作溫度，增加電極表面粗糙程度，增大電極表面與電解液的接觸面積，以上方法都可以降低電極電阻值和超電位，最后可以使電解水的工作電壓適當(dāng)降低。

（2）ηo值，改變電解水槽的設(shè)計參數(shù)來改變ηo數(shù)值，實際電解過程中，我們希望該值越小越好，影響電解水槽阻值因素包括電解液濃度，電極材料，電極與電解液的接觸面，電解槽隔膜的導(dǎo)電性，其中電解液的濃度和隔膜的導(dǎo)電性是主要的影響因子。材料的厚度和屬性對隔膜的電阻有影響，進而影響電壓。電解液中的電壓大小和電解液的導(dǎo)電率成反比。電解液特性要求具有穩(wěn)定不易分解，阻值小，不易揮發(fā)，對電解池材料無腐蝕性等特征。從以上的討論以及圖2 可以發(fā)現(xiàn)，ηo值可以通過優(yōu)化電解水槽的設(shè)計來減小，而ηa和ηc 值可以通過優(yōu)化兩個電極的反應(yīng)活性來減小，因此,高效的水分解電催化劑就顯得十分重要了。

3 電解水現(xiàn)狀

電解水制氫，關(guān)鍵是耗能問題。以電能換氫能，成本很高。日本開發(fā)了高溫加壓法，將電解水的效率提高到75%；美國建成一種SPE 工業(yè)裝置，能量效率達90%；我國研制了雙反應(yīng)器制氫工藝。先進的PEM 電解工藝，是一種可逆的電／氫轉(zhuǎn)換裝置，是燃料電池和產(chǎn)氫的電解槽的統(tǒng)一，總轉(zhuǎn)換效率可達95%。電解水制氫的電耗一般為4.5～5.5kwh/m3。正在開發(fā)的新工藝有： 固體電解質(zhì)電解水制氫，可簡化流程，提高制氫效率和降低能耗；高溫水蒸汽電解工藝，電耗可降低到3kwh.m-3。

使用較多的電解槽有質(zhì)子交換膜電解槽 、堿性電解槽 、固體氧化物電解槽。其中堿性電解槽技術(shù)最先成熟，商業(yè)化程度較高，優(yōu)點是價格低廉，特別是在大規(guī)模制氫工業(yè)中使用的比較普遍。但是，堿性電解槽電解效率低。質(zhì)子交換膜電解槽克服了堿性電解槽效率低的缺點，化學(xué)穩(wěn)定性好，并且電解損耗小，但是價格高昂，導(dǎo)致發(fā)展受限制。固體氧化物電解槽是一種新的電解槽技術(shù)，工作在高溫的時候會給材料的選擇帶來限制，系統(tǒng)綜合效率達到90%以上。

4 結(jié)論

上面介紹了制氫的方法及原理，目前的制氫技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到我們所需要的能源量，我們需要在原有的基礎(chǔ)上找到更好的方法來提高制氫的技術(shù)，在以后的研究當(dāng)中可以通過找到更好的催化劑或材料來提高電解水轉(zhuǎn)換效率和降低成本，使制氫的技術(shù)投入到生產(chǎn)中，讓氫能來代替石油燃料，來保護我們的環(huán)境以及解決能源危機。