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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半電池反應(yīng)。


酸性介質(zhì)中水電解基本原理


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,由直流電源供電


在陽極:
酸性介質(zhì)中水電解基本原理


在陰極:


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因此,整個分解反應(yīng)可以寫成:
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電解啟動所需的最小電池電壓可以使用吉布斯自由能(ΔG)來計算。在標(biāo)準(zhǔn)條件下,水分解為氫和氧的ΔG由下式確定。
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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),Erev 是可逆電壓,計算為:


酸性介質(zhì)中水電解基本原理
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來計算勢能。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(VTN )是電解所需的最小電壓,計算公式如下:
酸性介質(zhì)中水電解基本原理
T 是溫度。這個電壓為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,它接近實際電池性能,效率損失為20%。
在實際條件下,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。損失的主要機制如下:
(1)電動力學(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,所有這些都會產(chǎn)生額外的損耗。這些因素——陽極(ηAn)和陰極(ηCath)的過電位,以及可逆電池電壓(Vrev)和電池面積比歐姆電阻(RA )的電壓降——共同決定了電池的總電壓(Vcell )。
酸性介質(zhì)中水電解基本原理
為了補償所有的損失,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)來計算的。由于電解過程涉及液相中的水,因此效率為:
酸性介質(zhì)中水電解基本原理


其中VTN為熱中性電壓,VCell 為電解過程中的實際工作電壓。


來源:氫眼所見

注:已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)



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