电解水制氢装置图( 电解水制氢的基本原理 )

水电解制氢是最广泛使用的将可再生资源转化为氢气的技术。当两个电极(负极

电极和阳极)分别用直流电通电，当浸入水中时，水将分别在阴极和阳极分解和产生

氢和氧。这个过程就是电解水。这种装置是电解器。

电解水由分别发生在阴极和阳极的两种化学反应组成，如式(1)、(2)和(3):

Anode: H2O电能

2

1 O2 2H 2e- (1)

阴极： 2H 2e- H2 (2)

总体： H2O电能 H2

2

1 O2 (3)

水电解的基本原理如图1所示。在催化剂和直流电的作用下，水分子在阳极失去电子并被分开

溶解成氧和氢离子，通过电解质和隔膜到达阴极，并与电子结合生成氢。

O2 H2

隔膜阳极阴极

e-

H

图1。水电解基本原理示意图

图1 .水电解基本原理示意图

最早的水电解现象是在1789年观察到的。此后，水电解技术发展迅速。

1902年，世界上有400多个电解槽。目前，市场上的电解槽可分为三种类型： (1)

碱性电解槽；(2)质子交换膜电解槽(质子交换膜)

电解槽)和(3)固体氧化物电解槽。表1 .小结和对把这三者进行了比较

电解槽技术的特点。

表1 .不同电解槽技术的对比

表1 .不同电解槽技术的比较

电解槽型电解质运行温度(oC)载体效率成本(美元/千瓦)

碱性电解槽

20-30%氢氧化钾

70-100

哦

80%

400-600

质子交换膜电解槽

50-90 H 94% 2000

固体氧化物

电解槽

氧化钇稳定的

锆石

600-1000 O2- 90% 1000-1500

碱性电解槽是最早的商业化电解槽技术。虽然它的效率是三个电解槽中最低的，

由于其价格低廉，目前仍被广泛使用，特别是在大规模制氢工业中

重点是低效率和使用石棉作为隔膜。石棉是致癌的，许多国家已经提议禁止石棉

用于碱性电解槽。据报道，聚苯硫醚，聚四氟乙烯

氟乙烯、聚砜(聚砜)[7]和锆[8]在氢氧化钾溶液中

石棉，具有类似的特性，甚至优于石棉，将取代石棉，成为碱性电解槽的隔膜材料。

开发新的电极材料和提高催化反应效率是提高电解槽效率的有效途径。研究表明

雷尼镍和镍钼合金作为电极可以有效地加速水的分解，提高电解槽的效率

[9，10]。

质子交换膜电解槽因其高转化效率而成为一种很有前途的制氢装置

薄固体电解质具有良好的机械强度和化学稳定性，欧姆损耗小

在日本，已成功研制出效率为94.4%的质子交换膜电解槽[11]。然而，由于质子交换膜(目前，

常用的是杜邦公司生产的Nafion，铂电极催化剂价格昂贵，限制了其广泛应用。

未来研究的重点是降低成本，进一步提高其转化效率。成本的降低主要是通过降低

催化层中贵金属铂的含量和寻找廉价的质子交换膜材料已经在这两个领域得到了发展

在取得一些成就后，印度电化学与能源研究所(CEER)成功地在不影响电力的情况下降低了铂的含量

储罐的整体性能从0.4毫克/厘米2降至0.1毫克/厘米2 [12]。使用溅射沉积方法(溅射

沉积)，铂含量降低到0.014毫克/平方厘米

[13，14]。其他廉价的替代材料，如聚磷腈[15]和磺化聚苯乙烯

(卫生和植物检疫)[16]等。也已被证明具有与Nafion相似的特性，并可用于质子交换膜电解槽

作为电解质，可以预测，随着质子交换膜电解槽技术的成熟和价格的降低，质子交换膜电解槽将

成为制氢的主要设备。

固体氧化物电解槽是另一种新的电解槽技术

电解槽的缺点是工作温度高，这限制了材料的选择。优点是反应温度更高

在电化学反应中，一部分电能被热能所取代，因此效率较高，特别是当废热由汽轮机产生时

冷系统回收后，系统效率可达90%。目前，研究的重点是寻找高温下的对氧电离

具有良好导电性和适当降低电解槽工作温度的电解质材料。

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