圖片名稱(chēng)

幾種電解水制氫技術(shù)的介紹

發(fā)布時(shí)間：

2023-10-18 08:56

氫氣因其清潔無(wú)污染、熱量高等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的清潔能源。根據(jù)氫氣的來(lái)源，可以將氫氣分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。綠氫在制備過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)零碳排放量，因此也被稱(chēng)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(guó)關(guān)注.

電解水

電解水的現(xiàn)象最早被 Nicholson 和 Carlisle 于 19 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的，然而經(jīng)歷了 100多年后，大型電解水體系才實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用，其中第一座負(fù)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(shí)，隨即開(kāi)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(kāi)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(shí)際操作中，由于陰陽(yáng)極的超電勢(shì)、電解器自身內(nèi)阻以及運(yùn)行時(shí)條件參數(shù)的影響等，使得真實(shí)的分解電壓遠(yuǎn)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(jiǎn)單地描述為：在兩個(gè)電極之間施以直流電，并用隔膜將陰陽(yáng)兩極分離開(kāi)來(lái)，在陽(yáng)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(yáng)極催化劑，并在上面負(fù)載錳、鎢和釕的氧化物，質(zhì)量分?jǐn)?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(yùn)行時(shí)，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(diǎn)也很明顯，首先，效率低，即使有隔膜的存在，陽(yáng)極生成的氧氣也會(huì)擴(kuò)散到陰極，擴(kuò)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(huì)帶來(lái)很?chē)?yán)重的安全隱患。其次，電解器能承受的電流密度有限，因?yàn)橐后w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(yùn)行。再次，由于采用液體電解質(zhì)，高壓條件下運(yùn)行也難以實(shí)現(xiàn)，不利于運(yùn)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(diǎn)。目前越來(lái)越多的精力去研究開(kāi)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(shí)現(xiàn)堿性離子隔膜水電解（AEMWE，anion exchange membrane water electrocatalysis），能有效彌補(bǔ)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(jiǎn)單地歸結(jié)為：在陽(yáng)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(shuō)固體聚合物電解質(zhì)的出現(xiàn)，PEM 的應(yīng)用使得陰陽(yáng)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(yùn)行槽壓在 2.0V 左右，雖然槽壓并沒(méi)有顯著降低，但其運(yùn)行電流密度遠(yuǎn)高于堿性電解水，總體而言，在降低能耗上更具競(jìng)爭(zhēng)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?yàn)楦邷氐拇嬖冢呋瘎┑幕钚燥@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(dá) 90%。固體氧化物水電解除了能耗低這一優(yōu)點(diǎn)外，還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，以為采用的固態(tài)電解質(zhì)，因此在考慮腐蝕問(wèn)題上沒(méi)有那么困難，和 PEM 電解水相似，因此，對(duì)流體的分布和管控要求不高，具體的實(shí)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(yùn)行條件，從而提高了整體的能耗。當(dāng)然，如果有合適的熱源，這種電解水技術(shù)前景也相當(dāng)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(yáng)能提供水分解的能源，其原理為：利用半導(dǎo)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(diǎn)在于提供水分解的能源為太陽(yáng)能，在節(jié)能環(huán)保上更勝一籌，聯(lián)合使用時(shí)，可以使得太陽(yáng)能的利用率達(dá)到 55-77%，這一過(guò)程中，雖然沒(méi)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(dá)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(duì)應(yīng)的鹽以及 CdS 這類(lèi)硫化物等等。盡管光電解表現(xiàn)出其不可代替的優(yōu)勢(shì)，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(dāng)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。

相關(guān)新聞

< 1234...120 > 跳轉(zhuǎn)到 頁(yè)