如何提升碱性电解水效率？

有几种方法可以表示电解槽的效率，具体取决于如何评估和比较电解系统。电压效率通常按照如下公式（1）计算，它给出了用于分离水的有效电压与施加到电池的总电压的比例。

评估水电解系统效率的另一种方法是考虑氢气生产的输出与施加到系统的总电能 ∆W，公式 （4），

其中 t 是时间，V_H2 是电解池每单位体积的产氢率。

基于上述表达式，可以得出结论，要提高AWE的效率，就必须降低分解水分子所需的能量。通过减少需要克服的总过电位，驱动反应所需的电解池电位（压）降低。施加在电极上的电压可分为三个部分。它们是：分解电压、电极上的过电压和电极之间间隙中的欧姆损耗，后者是电解池电流和该间隙之间欧姆电阻的乘积。在 298 K 的温度和 1 atm 的压力下，水的可逆分解电压为 1.23 V。在等温运行时，所需的能量会导致 1.48 V 的等效电池电压（热中性电压），并在生成气态产物时吸收更多的能量。在实际应用中，直到电压达到 1.48~2.0 V 时才会有气体生成。

分解电压以标况来看是固定存在的，但由于过压和欧姆损耗，实际电池的工作电压可能更高。其中过电压又分为两种（活化过电压和浓差过电压）。

HER和OER发生必须克服的活化能，由活化过电位表示。活化过电压随用作电极的金属及其表面状况而变化。在高温高压下工作时，过电压会降低，并随着电极反应的电流密度增加而增加。

图1：适合工业 AWE 的几种HER 的电催化剂的过电位和塔菲尔斜率概览

离子排出电极表面，形成氢气和氧气。电解液的选择要兼顾最大的导电性和对结构材料最小的腐蚀率。碱性电解水一般选择氢氧化钠或氢氧化钾溶液。在电解过程中，靠近阴极的溶液浓度较高，而靠近阳极的溶液浓度较低，这是因为离子的流动性不同。电解过程在高温下进行会导致导电性增加。在电解过程中，电极间隙会被部分气体填充，从而增加其电阻。

一般来说可采用电解液搅拌（可采用超声波等方式）、有利的电极几何形状（流场的不同设计、不同丝径目数的编织网、不同目数孔径或形状的拉伸网、泡沫镍、镍毡等等）和在高压下操作等方法（可做到3MP左右，再升高压力对电解效率提升有限）将这种影响降至很低。

在水电解过程中，在电极处形成气泡，不能通过电解液迅速分散并从电解系统中去除，因此它们积聚在阴极和阳极表面，阻塞活性位点。当气泡的直径达到临界值时，气泡会从电极表面分离到电解质中。

传统的方式是透过电解液中添加不同形式的消泡剂来尽可能降低气泡对欧姆压降的贡献。但这些添加物质本身由于毒性以及其他环保因素未来考虑禁止使用。如何采用其方式去除气泡效应也是值得思考的地方。研究表明，设置电解质流量有助于在操作过程中将气泡从电极表面分离。此外，目前先进的电解槽在高达3MPa的压力下工作，这减少了气泡的体积，最大限度地减少了系统的欧姆损失。但是，加压操作环境需要更耐用的分离器设计。

过往的研究表明，在已经确定的工作温度下，电解质的最佳浓度在30~40 W%（7-10.1Mol）的范围内。这些操作条件是产生氢气的最佳条件，不仅因为电解液的导电性，还因为腐蚀速率。增加KOH的量会导致电解质成分的碱性环境更具腐蚀性，从而导致腐蚀增加。较高的温度也有同样的效果。因此，尽管具有轻微的腐蚀作用，但在侵蚀性较小的条件下运行，可以延长电解组件的使用寿命，从而对制氢的总成本产生积极影响。这些温度还可以防止因蒸发而造成更大的水分损失。由于电解液中的气泡而导致电解过程效率的损失是决定电解液某些操作条件的另一个问题。

用作电解质的典型溶液有几个相关问题，如电极材料（暴露在腐蚀性电解质中）稳定性低，以及在电池工作条件下电导率低，气泡形成明显。最近，在电解液中添加离子活化剂引起了广泛关注。这是一种简单、低成本、高效率的操作，可显著降低水电解过程中的能耗。离子活化剂的作用原理是在阴极表面原位电沉积金属复合材料，从而提高对 HER 的催化活性和电极的稳定性。它们还能增强电解质的离子导电性，提高电极的耐腐蚀性。有一些现成的研究结果表面可节能提效10%~15%。

使用离子液体（ILs）作为电解质或将其与传统碱性溶液的混合物也是提高电池效率的可行替代方案，因为它们有可能对电解质和电极之间的亲和力产生积极影响。室温下的IL是半有机化合物，由有机阳离子和有机或无机阴离子组成。它们具有高离子电导率、稳定性和热容，并且对金属电极有化学惰性。也有一些研究成果可供分享。

一般来说，欧姆电阻随着电极和隔膜之间距离的减小而降低。然而，当使用片状电极时，有必要找到该距离的最佳值。当电极之间的间隙大于最佳值时，距离的减小会导致电压降低。一旦达到最佳距离，减小距离会导致电压增加。因为当电极和隔膜之间的距离非常低时，在这种情况下，气泡的百分比变得如此之高，以至于电解质电阻显著增加，从而增加了电解所需的电压。研究还表明，气泡的最佳距离和速度成反比；气体离开电解槽的速度越快，内部积聚的气泡就越少，因此可以缩短最佳距离并降低电解质电阻（水电解效率提高）。零间隙电池配置旨在满足减少电极和隔膜之间距离以提高电解效率的需求。在AWE中，零间隙电池设计的工作原理是压缩气体分离隔膜两侧的两个多孔电极，形成所谓的MEA。这使得电极间隙与隔膜的厚度一样小，从而大大降低了两个电极之间电解质的欧姆电阻贡献。传统设置和零间隙配置之间的主要区别在于使用多孔电极而不是固体金属板，这迫使气泡从电极背面释放，而不是向电解池顶部迁移，从而减少它们对电池电压的贡献。总体而言，零间隙电池设计允许非常小的电极间隙、紧凑的设计、高效率和更高的安全性。目前大多数AWE系统都采用这种配置。

由于电解池电阻较高，使用隔膜不仅会增加电池结构的成本和复杂性，还会增加给定电流密度所需的电池电位。为了提高AWE的效率，隔膜材料必须：对电解介质具有化学和机械稳定性，必须对单一类型的离子（氢氧根离子）具有高选择性，高离子电导率（和低电导率）和低透气性；它必须能够在高电流密度下高效运行；它必须能够抵抗气泡形成引起的压力；它还应该易于处理，成本相对较低，使用寿命长。

高温和高压本章暂且不讨论！

来源：氢眼所见

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