淺談電解水制氫的原理及發展＊

王茂輝，吳震

（重慶工商職業學院 智能制造與汽車學院，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。當施加足夠大的電壓時，水分子將在陰極上發生還原反應產生氫氣，在陽極上發生氧化反應產生氧氣。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，即：陰極析氫反應和陽極析氧反應。

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

（1）在酸性介質中：

陰極反應：2H++ 2e-→ H2(g)

陽極反應：H2O(l)→ 2H++ 1/2O2(g) + 2e-

圖1 電解水裝置原理圖

（2）在中性和堿性介質中：

陰極反應：2H2O(l)+ 2e-→ H2(g) + 2OH-

陽極反應：2OH-→ H2O + 1/2O2(g)+ 2e-

總反應：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，水分解反應的熱力學電壓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降低。

（2）ηo值，改變電解水槽的設計參數來改變ηo數值，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，電解槽隔膜的導電性，其中電解液的濃度和隔膜的導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電率成反比。電解液特性要求具有穩定不易分解，阻值小，不易揮發，對電解池材料無腐蝕性等特征。從以上的討論以及圖2 可以發現，ηo值可以通過優化電解水槽的設計來減小，而ηa和ηc 值可以通過優化兩個電極的反應活性來減小，因此,高效的水分解電催化劑就顯得十分重要了。

3 電解水現狀

電解水制氫，關鍵是耗能問題。以電能換氫能，成本很高。日本開發了高溫加壓法，將電解水的效率提高到75%；美國建成一種SPE 工業裝置，能量效率達90%；我國研制了雙反應器制氫工藝。先進的PEM 電解工藝，是一種可逆的電／氫轉換裝置，是燃料電池和產氫的電解槽的統一，總轉換效率可達95%。電解水制氫的電耗一般為4.5～5.5kwh/m3。正在開發的新工藝有： 固體電解質電解水制氫，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最先成熟，商業化程度較高，優點是價格低廉，特別是在大規模制氫工業中使用的比較普遍。但是，堿性電解槽電解效率低。質子交換膜電解槽克服了堿性電解槽效率低的缺點，化學穩定性好，并且電解損耗小，但是價格高昂，導致發展受限制。固體氧化物電解槽是一種新的電解槽技術，工作在高溫的時候會給材料的選擇帶來限制，系統綜合效率達到90%以上。

4 結論

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