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幾種電解水制氫技術(shù)的介紹
發(fā)布時(shí)間:
2023-10-18 08:56
氫氣因其清潔無(wú)污染、熱量高等優(yōu)點(diǎn),被譽(yù)為21世紀最具發(fā)展前景的清潔能源。根據氫氣的來(lái)源,可以將氫氣分為灰氫、藍氫、綠氫。綠氫在制備過(guò)程中可以實(shí)現零碳排放量,因此也被稱(chēng)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(guān)注.
電解水
電解水的現象最早被 Nicholson 和 Carlisle 于 19 世紀發(fā)現的,然而經(jīng)歷了 100多年后,大型電解水體系才實(shí)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(zhì)(SPE, solid polymer electrolyte)應用在雙子星(Gemmi)宇宙飛船的燃料電池上時(shí),隨即開(kāi)啟了質(zhì)子交換膜(PEM, proton exchange membrane waterelectrolysis)電解水技術(shù)的應用。此后,高溫固體氧化物電解水技術(shù)也開(kāi)始浮現,不同形式的電解水技術(shù)得到了快速發(fā)展。電解水本質(zhì)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(shí)際操作中,由于陰陽(yáng)極的超電勢、電解器自身內阻以及運行時(shí)條件參數的影響等,使得真實(shí)的分解電壓遠不止 1.23V。
堿性水電解
堿性電解水技術(shù)是電解水技術(shù)中發(fā)現得最早的,也是目前電解水技術(shù)中最為成熟的。其原理可以簡(jiǎn)單地描述為:在兩個(gè)電極之間施以直流電,并用隔膜將陰陽(yáng)兩極分離開(kāi)來(lái),在陽(yáng)極,OH-發(fā)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(yáng)極催化劑,并在上面負載錳、鎢和釕的氧化物,質(zhì)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(shí),槽壓一般在 1.9 V 到 2.6 V 之間。
雖然堿性水電解工業(yè)化比較成熟,但其缺點(diǎn)也很明顯,首先,效率低,即使有隔膜的存在,陽(yáng)極生成的氧氣也會(huì )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(huì )帶來(lái)很?chē)乐氐陌踩[患。其次,電解器能承受的電流密度有限,因為液體電解質(zhì)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(zhì),高壓條件下運行也難以實(shí)現,不利于運行管理。雖然堿性電解水技術(shù)有明顯的不足,但是其應用成本低,仍是工業(yè)應用中的重點(diǎn)。目前越來(lái)越多的精力去研究開(kāi)發(fā)堿性條件下的固體電解質(zhì)聚合物薄膜代替溶液電解質(zhì)和隔膜,實(shí)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(jiǎn)單地歸結為:在陽(yáng)極,水分解生成氧氣和質(zhì)子,質(zhì)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(shù)的出現歸功于質(zhì)子交換膜或者說(shuō)固體聚合物電解質(zhì)的出現,PEM 的應用使得陰陽(yáng)極間的距離縮減到幾百微米甚至幾十微米,顯著(zhù)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(méi)有顯著(zhù)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(zhù)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(yōu)點(diǎn)外,還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn),以為采用的固態(tài)電解質(zhì),因此在考慮腐蝕問(wèn)題上沒(méi)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(shí)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(shù)前景也相當可觀(guān)。
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(zhì)就是太陽(yáng)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(chǎn)生的電流去分解水,從而生成氫氣和氧氣。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于提供水分解的能源為太陽(yáng)能,在節能環(huán)保上更勝一籌,聯(lián)合使用時(shí),可以使得太陽(yáng)能的利用率達到 55-77%,這一過(guò)程中,雖然沒(méi)有額外提供電能,但其本質(zhì)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(zhì)及其衍生物都發(fā)現這種性能,例如 Zr O2、Ta2O5 和 Nb2O5及其對應的鹽以及 CdS 這類(lèi)硫化物等等。盡管光電解表現出其不可代替的優(yōu)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(shù)的發(fā)展應用。當然有理由相信隨著(zhù)光電轉換效率的提高,光促水電解定能大放光彩。
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