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幾種電解水制氫技術(shù)的介紹
發(fā)布時間：
2023-10-18 08:56
氫氣因其清潔無污染、熱量高等優(yōu)點，被譽為21世紀最具發(fā)展前景的清潔能源。根據(jù)氫氣的來源，可以將氫氣分為灰氫、藍氫、綠氫。綠氫在制備過程中可以實現(xiàn)零碳排放量，因此也被稱為最純正的綠色能源。其中，電解水制氫作為目前最重要的綠氫制備手段之一，備受世界各國關(guān)注.
電解水
電解水的現(xiàn)象最早被 Nicholson 和 Carlisle 于 19 世紀發(fā)現(xiàn)的，然而經(jīng)歷了 100多年后，大型電解水體系才實現(xiàn)真正的應(yīng)用，其中第一座負壓型電解槽由 Zansky和 Lonza 建成。1966 年，通用電氣（General Electric）公司首次將固體聚合物電解質(zhì)（SPE, solid polymer electrolyte）應(yīng)用在雙子星（Gemmi）宇宙飛船的燃料電池上時，隨即開啟了質(zhì)子交換膜（PEM, proton exchange membrane waterelectrolysis）電解水技術(shù)的應(yīng)用。此后，高溫固體氧化物電解水技術(shù)也開始浮現(xiàn)，不同形式的電解水技術(shù)得到了快速發(fā)展。電解水本質(zhì)都可以歸結(jié)為以 1.23V的理論解電壓將水分子分解為氫分子和氧分子，在實際操作中，由于陰陽極的超電勢、電解器自身內(nèi)阻以及運行時條件參數(shù)的影響等，使得真實的分解電壓遠不止 1.23V。
堿性水電解
堿性電解水技術(shù)是電解水技術(shù)中發(fā)現(xiàn)得最早的，也是目前電解水技術(shù)中最為成熟的。其原理可以簡單地描述為：在兩個電極之間施以直流電，并用隔膜將陰陽兩極分離開來，在陽極，OH-發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，在陰極，H+被還原生成氫氣，如圖 1-1 所示。通常高比表面的鍍鎳鋼板或者鎳銅鐵作為陽極催化劑，并在上面負載錳、鎢和釕的氧化物，質(zhì)量分數(shù)為 30%的 KOH 或者 Na OH 溶液作為電解液，鍍有高比表面鎳或者鎳鈷合金的鋼材則作為陰極催化劑，運行時，槽壓一般在 1.9 V 到 2.6 V 之間。
雖然堿性水電解工業(yè)化比較成熟，但其缺點也很明顯，首先，效率低，即使有隔膜的存在，陽極生成的氧氣也會擴散到陰極，擴散到陰極的氧氣又被還原成水，使得電解效率變低，而且穿越到陰極的氧氣會帶來很嚴重的安全隱患。其次，電解器能承受的電流密度有限，因為液體電解質(zhì)和隔膜存在，使得電解器難以在高電流密度的條件下運行。再次，由于采用液體電解質(zhì)，高壓條件下運行也難以實現(xiàn)，不利于運行管理。雖然堿性電解水技術(shù)有明顯的不足，但是其應(yīng)用成本低，仍是工業(yè)應(yīng)用中的重點。目前越來越多的精力去研究開發(fā)堿性條件下的固體電解質(zhì)聚合物薄膜代替溶液電解質(zhì)和隔膜，實現(xiàn)堿性離子隔膜水電解（AEMWE，anion exchange membrane water electrocatalysis），能有效彌補傳統(tǒng)堿性水電解的不足。
酸性水電解
酸性水電解，又名 PEM 水電解，其原理簡單地歸結(jié)為：在陽極，水分解生成氧氣和質(zhì)子，質(zhì)子遷移至陰極，然后在陰極還原生成氫氣，如圖 1-2 所示。PEM電解水技術(shù)的出現(xiàn)歸功于質(zhì)子交換膜或者說固體聚合物電解質(zhì)的出現(xiàn)，PEM 的應(yīng)用使得陰陽極間的距離縮減到幾百微米甚至幾十微米，顯著地減少了由離子遷移引起的這一部分能耗。這種電解水方式的運行槽壓在 2.0V 左右，雖然槽壓并沒有顯著降低，但其運行電流密度遠高于堿性電解水，總體而言，在降低能耗上更具競爭力。
固體氧化物水電解
固體氧化物水電解（solid oxide water electrolysis）也叫高溫水電解，因為高溫的存在，催化劑的活性顯著提升，使得水分解能耗降低，高溫水電解的效率也很高，可高達 90%。固體氧化物水電解除了能耗低這一優(yōu)點外，還有一個突出優(yōu)點，以為采用的固態(tài)電解質(zhì)，因此在考慮腐蝕問題上沒有那么困難，和 PEM 電解水相似，因此，對流體的分布和管控要求不高，具體的實施方式可以借鑒高溫燃料電池體系。然而，高溫水電解需額外消耗能量去保證高溫運行條件，從而提高了整體的能耗。當然，如果有合適的熱源，這種電解水技術(shù)前景也相當可觀。
光促水電解
光促水電解（photo-water electrolysis）是近期提出電解水的方式，本質(zhì)就是太陽能提供水分解的能源，其原理為：利用半導體材料吸收的光產(chǎn)生的電流去分解水，從而生成氫氣和氧氣。這種方法的優(yōu)點在于提供水分解的能源為太陽能，在節(jié)能環(huán)保上更勝一籌，聯(lián)合使用時，可以使得太陽能的利用率達到 55-77%，這一過程中，雖然沒有額外提供電能，但其本質(zhì)仍為電解水。這種方式最初在日本應(yīng)用，用 Ti O2作為光催化劑，到目前為止，多達130多種物質(zhì)及其衍生物都發(fā)現(xiàn)這種性能，例如 Zr O2、Ta2O5 和 Nb2O5及其對應(yīng)的鹽以及 CdS 這類硫化物等等。盡管光電解表現(xiàn)出其不可代替的優(yōu)勢，但是這種方法的轉(zhuǎn)化率并不高，甚至低于 10%，因此也限制了這種技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。當然有理由相信隨著光電轉(zhuǎn)換效率的提高，光促水電解定能大放光彩。
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