电解水制氢的电极选择问题研究进展

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1、万方数据·512·化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2009年第28卷增刊电解水制氢的电极选择问题研究进展王璐1，一，牟佳琪1，侯建平1，张伟华1，沈颖莹1，姜颖2李永峰1(1上海工程技术大学化学化工学院，t：海201620；2东北林业大学林学院，哈尔滨150040)摘要：氢气能否作为燃料广泛使用，制氢技术方法的选择显得至关重要。作为大规模生产氢气的途径，电解水制氢无疑是最可行且最成熟的技术。然而，由于理论分解电压是不考虑任何损耗的最低电压，因此影响电能损失的主要因素是阳极过电位、阴极过电位和电阻电

2、压降。在设备基本不变的情况下，提高电解效率的主要途径就是降低阳极过电位和阴极过电位。研究新型的析氧电极，选择适合的电极，提高水电解工艺中的电解效率，对于水电解氢气工业而言，无论从节能增效，还是从长远的解决能源短缺问题，都具有至关重要的实际意义。关键词：电解水制氢；阳极过电位；阴极过电位；电能效率目前主要的制氢丁艺=包括：(1)以矿物燃料为原料制取氧气是当今获得氢气最主要的方法，制得的氢气主要作为化工原料，如生产合成氨、合成甲醇等。(2)生物质可通过气化和微生物制氧。(3)多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均

3、有大量副产氢气。(4)水电解制氢，是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水电解制氧是实现工业化廉价制备H：的雨要手段，可制得纯度为99％～99．9％的产品。每年我国在水电解制氢上的电能消耗达到(1．5×107)kW·h以上。当电流从电极问通过时，在阴极上产生氧气，在阳极上产牛氧气，水被电解掉【IJ。水电解制氢设备中的核心部分是电解槽，电极材料又是电解槽的关键所在。电极性能的好坏在很大程度上决定着水电解的槽电压高低及能耗大小，并直接影响成本。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75％～85％，其工艺过程简单，无污染，但电耗大，因此起应用收到一定的限制。

4、20世纪中期，我国采用了碱性水溶液电解法制氢，应用于电子工业，作为生产电子元器件的保护气；在火力发电厂，用于冷却发电机组。这些水电解制氢装置大多具有双极性压滤式结构，在常压活0．4～0．5MPa条件下运行，具有安令可靠等优点，但存在严重渗碱问题，电解平均电压为2．5--．2．7V，因此能耗大，自动化程度低。为了获得廉价电力，降低制氧成本，许多电解制氢装备，尤其是大型装置，都建在水电站附近。至20世纪后期，由于出现能源危机，加之环境污染日益严重，因此氢作为一种丰富，用途广且无污染可循环利用的优质能源，越来越受到人们的重视。另外，随着太阳能、风能、核能

5、大量用于发电，氢的成本也将大幅度的下降。水电解制氧已经发展到了将电能转变成氢能的转换手段。因此，电解水制氢将是未来产氢工业的核心技术，具有很高的社会效益和经济效益。l电解水制氢反应原理及工艺流程电解水反应是在电解槽中进行的，电解槽内充满电解质，用隔膜将电解槽分为阳极室和阴极室，各室内分别置有电极。由于水的导电性很小，故用加入电解质的水溶液(浓度约为15％)。当在一定电压下电流从电极问通过时，则在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气，从而达到水的电解。理论上来说，铂系金属是作为电解水电极的最理想金属，但实际中为了降低设备和牛产成本，常采用镀镍的铁电极。进

6、行电解水时，电极反应式如下【2】。酸性溶液中，阴极反应：4H++4e一2H2扩=ov阳极反应：2H20—4I-I++02“e4'--1．23V碱性溶液中，阴极反应：4H20+4e一2H2+40H一拈一0．828V阳极反应：40H一==一2H20+02+4e矿=o．40IV从上式可以看出，不论在酸性还是碱性溶液中，水电解的总反应都是如下。2H20—2H2+02水的理论分解电压与pH值无关，因而酸

7、生溶液或碱性溶液都可作为电解液。但从电解槽结构及材料的选择方面来看，使用酸性容易出各种故障。故现在工业卜都采用碱性溶液。电解水制氧的工艺流程图如图l。万方数

8、据增刊王璐等：电解水制氢的电极选择问题研究进展·513·冷却水电源水图l电解水制氢工艺流程图l—整流装置；2一离子净化器；，一电解槽；4—气体分离及冷却设备；5—气体洗涤塔；6一电解液贮罐；7—气罐；8一过滤器：9一压缩机；lO—气体精制塔；11—干燥；12一高压氢气氧气贮存及装瓶2水电解制氢的方式及电极选择2．1传统碱性电解技术碱性水电解制氢是目前制备氢气比较常用而且也是发展比较成熟的方法。该法对设备的要求不高，投资主要集中在设备；制得的氢纯度高，但效率不是很高。其工艺过程也相对环保无污染，但是消耗大量电能，因此受到一定的限制。工业上电解水的压力

9、一般在1．65"-'2．2V。2．1．1碱性水电解电极的评价标准评价碱性水电解电极材料的优良与否，电极材料的使用寿命和水电