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        幾種電解水制氫技術的介紹

        發布時間:

        2023-10-18 08:56

        氫氣因其清潔無污染、熱量高等優點,被譽為21世紀最具發展前景的清潔能源。根據氫氣的來源,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,備受世界各國關注.

        電解水

        電解水的現象最早被 Nicholson 和 Carlisle 于 19 世紀發現的,然而經歷了 100多年后,大型電解水體系才實現真正的應用,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(SPE, solid polymer electrolyte)應用在雙子星(Gemmi)宇宙飛船的燃料電池上時,隨即開啟了質子交換膜(PEM, proton exchange membrane waterelectrolysis)電解水技術的應用。此后,高溫固體氧化物電解水技術也開始浮現,不同形式的電解水技術得到了快速發展。電解水本質都可以歸結為以 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、電解器自身內阻以及運行時條件參數的影響等,使得真實的分解電壓遠不止 1.23V。

        堿性水電解

        堿性電解水技術是電解水技術中發現得最早的,也是目前電解水技術中最為成熟的。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-發生氧化反應生成氧氣,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,質量分數為 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,高壓條件下運行也難以實現,不利于運行管理。雖然堿性電解水技術有明顯的不足,但是其應用成本低,仍是工業應用中的重點。目前越來越多的精力去研究開發堿性條件下的固體電解質聚合物薄膜代替溶液電解質和隔膜,實現堿性離子隔膜水電解(AEMWE,anion exchange membrane water electrocatalysis),能有效彌補傳統堿性水電解的不足。

        酸性水電解

        酸性水電解,又名 PEM 水電解,其原理簡單地歸結為:在陽極,水分解生成氧氣和質子,質子遷移至陰極,然后在陰極還原生成氫氣,如圖 1-2 所示。PEM電解水技術的出現歸功于質子交換膜或者說固體聚合物電解質的出現,PEM 的應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點外,還有一個突出優點,以為采用的固態電解質,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生的電流去分解水,從而生成氫氣和氧氣。這種方法的優點在于提供水分解的能源為太陽能,在節能環保上更勝一籌,聯合使用時,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,但其本質仍為電解水。這種方式最初在日本應用,用 Ti O2作為光催化劑,到目前為止,多達130多種物質及其衍生物都發現這種性能,例如 Zr O2、Ta2O5 和 Nb2O5及其對應的鹽以及 CdS 這類硫化物等等。盡管光電解表現出其不可代替的優勢,但是這種方法的轉化率并不高,甚至低于 10%,因此也限制了這種技術的發展應用。當然有理由相信隨著光電轉換效率的提高,光促水電解定能大放光彩。

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