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酸性介質中水電解基本原理

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動下，水被電化學分解成氧、質子和電子。然后質子穿過質子導電膜到達陰極，而電子穿過外部電路，為反應提供必要的電池電壓。在陰極，質子和電子重新結合形成氫氣。反應產生氫氣和氧氣的體積比分別為二比一。電解質膜的設計保證了氣體的分離，防止電解裝置內形成潛在的爆炸性混合物。這些氣體的產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。


酸性介質中水電解基本原理


圖1：質子交換膜(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，以及質子(H+)在膜上的流動，由直流電源供電


在陽極：
酸性介質中水電解基本原理


在陰極：


酸性介質中水電解基本原理
因此，整個分解反應可以寫成：
酸性介質中水電解基本原理
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。在標準條件下，水分解為氫和氧的ΔG由下式確定。
酸性介質中水電解基本原理


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


酸性介質中水電解基本原理
然而，由于在水的分裂過程中熵的產生，它是更準確地使用焓(ΔH)而不是ΔG來計算勢能。在標準條件下，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，商業電解槽的工作電壓超過理論估計20%以上，這源于電解槽內電流產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的內阻造成的歐姆損耗。損失的主要機制如下：
(1)電動力學限制：在電極-電解質邊界，不可逆的電子轉移過程，由Butler-Volmer方程控制，導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速率。陽極的析氧反應需要四電子轉移，本質上比陰極的析氫反應更復雜；因此，陽極需要更大的過電位。
(2)濃度過電位：這是由于反應物的擴散速度緩慢，導致電極表面反應物的短缺。
(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，當電流流過電池時，所有這些都會產生額外的損耗。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，這符合熱力學第一定律，確保能量守恒。轉換效率，即電能轉化為化學能的效率，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：已獲得轉載權



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