电解水制氢的效率优化

利用可再生能源从水中制取氢气是一个完全可持续的过程。众所周知，氢气与氧气的燃烧是一种化学反应，这种反应是完全放热的，能够释放大量能量，这些能量可以用于多种用途。此外，这一化学反应的产物是水，使得氢气和水形成了一个封闭的可再生循环：首先，使用可再生能源从水中制取氢气；其次，氢气与氧气反应生成水和能量，从而开发氢能。

氢气的制备可以通过多种可再生能源实现，通过电解水来产生。这一过程涉及到电解槽的使用，电解槽由两个电极组成，它们浸入到电解质溶液中，该溶液由水和某种盐组成，盐在溶液中离解成正负离子。在两个电极之间施加电压差，直流电从阳极流向阴极；随后，在阳极一侧水分解产生氧气，在阴极一侧水分解产生氢气。如图1：

图1 电解水原理及电解室结构

(a) 电 解水原理； (b) 电解室结构

总反应化学方程式：

（1）

电解水反应的总需求能量等于水分解焓变△H , 由式 (2) 计算：      

     （2）

式中:△Gwater为水分解的吉布斯自由能变;T△S为水分解温度和熵变之积。特别指出，△Gwater表示了反应所需的最小电能，T△S 表示了反应所需的最小热能。如图2所示，电解水反应可以在不同的热力学条件下发生。

图2：电解水不同的能量需求

一种电解方法的效率η_elc。是单位时间制氢输出能量与单位时间输入能量之比。由式(3)计算:  

        （3）

式中:I_DC 为在两电极之间流经的直流电流;为水的电分解电压(电解室电压)，可视为可逆电压V_rec和电解室附加电压之和，如式(4)所示:

（4）

式中：V_act 为激活电压，取决于电极动力学，它提供了电荷在电极和化学物之间转移的能量，这是导致电极过电压的势垒；V_con 为浓度过电压，代表影响反应的质量转移过程（扩散和对流），该项描述了运输限制而导致的反应物和产物的非均匀分布，反应物的浓度较低，而产物则集中在电解液和电极之间的界面；Vohm 为欧姆损失引起的过电压。

为了提升电解反应的效率，在特定电流条件下，我们需要专注于减少电压损失。这可以通过对电极表面进行优化处理来实现，比如通过使用高活性的催化剂来加速反应过程。虽然铂（Platinum, P）作为一种高效的催化剂，但由于其高昂的成本，并不适用于大规模商业生产。因此，商用电解槽通常采用成本效益更高的钢基镀镍电极，这种材料不仅成本较低，而且具有良好的化学性能。在单电解室中，电解制氢的效率可以达到60%至100%。然而，当我们从整个电解系统的角度考虑，包括其他用电设备，整体效率会降低至50%至80%。图3展示了电解室的极化曲线，这一曲线是评估电解室性能的关键工具。值得注意的是，一个高性能电解室的关键特征是具有较高的电流密度和相对较低的电解室电压。

图3：电解室的极化曲线

通过观察方程式(4)，我们可以识别出典型电解槽的极化曲线由三个特定的区域构成（如图3所示）：①激活极化区，该区域电流密度较低，主要由激活电压（V_act）控制，反映了电极动力学的影响；②欧姆极化区，这里的电流密度处于中等水平，由欧姆电压（V_ohm）决定，反映了电流通过电解液时的电阻损耗；③浓度极化区，该区域电流密度较高，主要由浓度电压（V_con）决定，反映了反应物和产物在电解过程中的传输限制。