电解水制高压氢气

电解水制高压氢气

杜军

清河发电有限责任公司  辽宁省铁岭市  112003

摘要：随着全球能源危机与环境问题的日益严重，全球范围内的科研人员和企业都积极投入到清洁、高效、可再生能源的研发和应用中。氢气，作为一种理想的清洁能源载体，其生产和应用技术成为研究的热点，其中电解水制氢技术以其独特的优势，逐渐在氢气生产领域崭露头角。

关键词：电解；制氢；高压

引言

在能源构成中，矿物燃料仍然占80%以上，氢气只有不到1%。在氢能源方面，国内还没有形成具有独立知识产权的核心技术，电解水制氢也没有完全掌握。在氢能源研究中，电解水制氢是实现化学能转换为电能的一种重要途径，是最经济有效的可再生能源。其中，电解水制氢是当今世界上最具发展前景的一种氢气制备方法。对此，本文主要对电解水制高压氢气展开探讨，希望可以为未来大规模电解水制备氢气奠定理论基础。

一、电解水技术

电解水制氢技术是一种通过直流电场将水分解成氢和氧的过程，这一过程所依赖的能源主要来自电极表面的氧化-还原反应。当前，电解水制氢技术有多种实现方式，其中，碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、非贵金属催化制氢等是较为常见的几种技术。碱性电解水制氢技术作为一种具有明显优势的电解水制氢方法，备受关注，最大的优点在于生产成本低、环境友好且无二氧化碳排放。在碱性环境中，电解水得到的氢气纯度不高，氢的含量也很低。为了提高产氢效果，往往需要在体系中添加催化剂，并且在碱性电解水体系中，通常采用水溶液作为电解质。如果采用固态电解质（如钛）作为电解质，则需要在体系中加入催化剂以改善体系的效率。然而，碱性电解水制氢技术也存在一些局限性。例如，在电解过程中，由于水的分解反应是一个吸热过程，因此需要消耗大量的电能。此外，由于电解过程中会产生大量的氧气，因此需要特别注意安全问题。为了解决这些问题，科研人员正在研究如何提高电解效率、降低能耗以及如何安全地存储和运输氢气。除了碱性电解水制氢技术外，质子交换膜制氢技术和非贵金属催化制氢技术也是目前研究的热点，该技术利用质子交换膜将水电解成氢气和氧气，其优点在于得到的氢气纯度高、能耗低；而非贵金属催化制氢技术则是利用一些非贵金属元素作为催化剂，通过电解水产生氢气，其优点在于催化剂成本低、稳定性高，但目前仍处于研究阶段。

二、电解水制高压氢气

（一）工作原理

电解水是一种以水为原料，通过电解池将水分解为氢、氧，然后在外加直流电流的作用下产生氢气和氧气。它的工作原理是：在外加直流电流的作用下，使正、负电极进行氧化，将水氧化成氢（H2）和氧（O2)；在阳极和负极上进行还原（同时产生对应物种），将水还原成氢氧，形成新的氧（O2)；在阴极将会有一小部分的电子沿着扩散的方向流动到阳极，然后和失去电子的氢结合起来，生成氢气分子。电解水产氢工艺主要有两种：一种是在电极表面进行电化学反应，另一种是将水分解为氢、氧的直接方法。

1.直接法

直接法是利用电解的基本原理，以电极为催化剂，在电解质溶液中通入直流电，在阴极和阳极分别发生氧化和还原反应，水分子被氧化为氢原子和氧原子，同时生成氢气和氧气。其基本原理是在一个电极上发生氧化反应（反应式如下：2H₂O→2H₂+O₂

式中，H 2O是电解质溶液中的H 2；O2是气体放电时的中间产物；T是时间常数。

H 2+被氧化成OH 2,O2被还原成O2)；H2是气体放电时的产物；O2则在阴极被还原成H2O。

直接法是电解水制取氢气和氧气的最常用方法，虽然原理上相对简单，但在实际应用中仍然需要考虑能源效率、电极材料的选择和寿命，以及安全操作等因素。但直接法存在的缺点也很明显：1)催化剂寿命短、易中毒、反应慢；2)无法制备高纯度氢气和氧气。

2.间接法

间接法制氢是指以电解池内的电能为能量源，在催化剂的作用下，催化分解水制氢，制氢和氧。传统的电解水制氢工艺多使用贵金属作为催化剂，成本较高，因此其实用化程度较低。

从现有的研究结果看，电解水制取氢气还处在研究和开发的阶段，采用的电解池都是非贵金属，而且催化剂也有待进一步的研究。目前，电解工艺有两大类：第一类是用贵金属如铂、钯作负极，用碳材料作负极；二是采用二氧化锰作为负极、Fe基正极的电解池。电解水作为一种新型的氢气制备方法，具有成本低、原料来源丰富、环境友好等优点，但仍面临着效率低、稳定性差等问题。

（二）电解水反应方程式

在电解水过程中，主要的化学反应为：

1.氯离子在阴极上被还原，生成次氯酸和氧气。

3.反应的化学方程式如下：阳极反应：2Cl2+O2=2 NaCl+H2O↑。

由于电解过程中，电解质溶液的浓度随着电压的升高而增加，故通常用水的电极电位表示电解液浓度的大小，其大小一般用电压降来表示，如用V=Vp/Re（v=1V）表示电解液浓度为1 mol/L，若采用V=Vs（v=0V）则表示电解液浓度为0 mol/L，用R表示溶液浓度，Re表示气体浓度。通常情况下，电解液浓度越大，电解效率越高。当电流密度大于某一直时，电解液中离子移动速度趋于缓慢，电解效率随电流密度增大而下降。因此在实际生产中为了提高电解效率和延长电解槽寿命通常采用低电流密度（<10a>

）、高电压（≥200V）、大电流（≥10A/cm2）的电解槽。在低电流密度下可以得到较高的产氢速度和产氧量；高电压和大电流则会增加电耗，降低制氢效率；并且低电流密度下由于没有电压差，反应速度不均匀，也容易出现析氢现象。

（三）正负电极的反应

电解水的基本过程是：通过电解装置将水分解成氢气和氧气。在这个过程中，阳极发生氧化反应（或还原反应），阴极发生还原反应（或氧化反应）。电解水的电极材料可以是金属氧化物、金属氢氧化物、铂、石墨、石墨-铂复合电极等。

电解水中的阳极（阴极）发生氧化反应：水分子被氧原子氧化，同时生成H2O，然后再通过质子交换膜转移到阴极得到氢气。在整个过程中，需要消耗电能，同时生成的H2O和氧气要通过相应的装置（如集流器）回收再利用。如果想要得到氢气，就需要消耗电能；如果想要得到氧气，就需要消耗电能。同时在这个过程中会产生大量的热，其中一部分热量要通过水蒸气的形式释放出来。

而在电解水的过程中，水分子和氧原子在阴极发生氧化反应，生成H2O和O2。而在电解水系统中所用到的集流器是用来收集并回收电解水阴极所产生的H2O和O2的，同时也可以收集并回收电解水阳极所产生的水蒸气。

（四）制取氢气过程

当水被电解成氢气和氧气时，其质量和化学性质都发生了变化，就需要在电解水过程中需要加入电解质溶液，以调节电解的电位，并防止副反应。同时，在电解水过程中，阳极发生还原反应：氢离子被氧化成氢气和氧气，阴极发生氧化反应：氢离子被还原成氧气和水。为了防止阳极发生氧化反应（即阳极发生还原反应），阴极必须发生还原反应（即阴极发生氧化反应），在还原过程中，阴极上的氢氧根通过电子转移到阳极，形成氢和氧。因此，需要添加催化剂以将阴极上的电子传递给阳极上的电子。此外，电解水制氢时，需向电解池中添加催化剂及载热器（或增加溶液的渗透压力），因为在将水电解为氢和氧时，会放出很多热量。此外，电解池内的热能也会对集流器（集流体）产生高温，造成集流器的温升。

结束语

总的来说，电解水制氢技术作为清洁、高效、可再生的能源生产方式，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。尽管目前仍存在一些技术和经济上的挑战，但随着科研人员的不懈努力和技术的不断进步，相信这些问题都将得到有效解决。未来的研究应着重于进一步降低电解水制氢的成本，提高产氢效率，同时探索更为安全、高效的氢气储存和运输方式。

参考文献

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