酸性介質(zhì)中水電解基本原理

來源：江蘇氫港新能源科技有限公司 2024年05月24日 11:13

電解水是生產(chǎn)氧氣和氫氣的方法。在PEM電解過程中，水被引入陽極，在電解液存在的電流的驅(qū)動(dòng)下，水被電化學(xué)分解成氧、質(zhì)子和電子。然后質(zhì)子穿過質(zhì)子導(dǎo)電膜到達(dá)陰極，而電子穿過外部電路，為反應(yīng)提供必要的電池電壓。在陰極，質(zhì)子和電子重新結(jié)合形成氫氣。反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣的體積比分別為二比一。電解質(zhì)膜的設(shè)計(jì)保證了氣體的分離，防止電解裝置內(nèi)形成潛在的爆炸性混合物。這些氣體的產(chǎn)生速率與流過電池的電流成正比。所示方案如圖1所示，概述了水電解背后的基本原理，包括該過程中涉及的兩個(gè)半電池反應(yīng)。

圖1：質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽示意圖，包括陽極、陰極和PEM等核心部件，以及水輸入、氧氣和氫氣輸出的方向，以及質(zhì)子(H⁺)在膜上的流動(dòng)，由直流電源供電

在陽極：

在陰極：

因此，整個(gè)分解反應(yīng)可以寫成：

電解啟動(dòng)所需的最小電池電壓可以使用吉布斯自由能(ΔG)來計(jì)算。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，水分解為氫和氧的ΔG由下式確定。

其中n 代表所涉及的電子數(shù)，F是法拉第常數(shù)(96,500庫侖)，E_rev是可逆電壓，計(jì)算為：

然而，由于在水的分裂過程中熵的產(chǎn)生，它是更準(zhǔn)確地使用焓(ΔH)而不是ΔG來計(jì)算勢(shì)能。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，ΔH = 285.84 kJ/mol，ΔS(熵變)= 0.1631 kJ/mol K， ΔG = 237.22 kJ/mol。因此，熱中性電壓(V_TN)是電解所需的最小電壓，計(jì)算公式如下:

T 是溫度。這個(gè)電壓為1.484 V，代表了在低輸出速率下由電力提供的能量，與理想情況相比，它接近實(shí)際電池性能，效率損失為20%。

在實(shí)際條件下，由于電解液和電極的功率損失，商業(yè)電解槽的工作電壓超過理論估計(jì)20%以上，這源于電解槽內(nèi)電流產(chǎn)生氣體的不可逆過程。這些損耗包括每個(gè)電極的非線性不可逆性以及電池材料和電解質(zhì)的內(nèi)阻造成的歐姆損耗。損失的主要機(jī)制如下：

(1)電動(dòng)力學(xué)限制：在電極-電解質(zhì)邊界，不可逆的電子轉(zhuǎn)移過程，由Butler-Volmer方程控制，導(dǎo)致陽極和陰極的激活過電位。這些部位的催化劑加快了反應(yīng)速率。陽極的析氧反應(yīng)需要四電子轉(zhuǎn)移，本質(zhì)上比陰極的析氫反應(yīng)更復(fù)雜；因此，陽極需要更大的過電位。

(2)濃度過電位：這是由于反應(yīng)物的擴(kuò)散速度緩慢，導(dǎo)致電極表面反應(yīng)物的短缺。

(3)歐姆損耗：由電解液中離子流的電阻和電極、集流器、雙極板的電阻以及電解池組件之間界面的電阻引起，當(dāng)電流流過電池時(shí)，所有這些都會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。這些因素——陽極(η_An)和陰極(η_Cath)的過電位，以及可逆電池電壓(Vrev)和電池面積比歐姆電阻(R_A)的電壓降——共同決定了電池的總電壓(V_cell)。

為了補(bǔ)償所有的損失，需要額外的電能，這符合熱力學(xué)第一定律，確保能量守恒。轉(zhuǎn)換效率，即電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率，是用氫的較高熱值(HHV)來計(jì)算的。由于電解過程涉及液相中的水，因此效率為：

其中V_TN為熱中性電壓，V_Cell為電解過程中的實(shí)際工作電壓。

來源：氫眼所見

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