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如何提升堿性電解水效率?

 更新時間:2024-05-11    點擊量:72

有幾種方法可以表示電解槽的效率,具體取決于如何評估和比較電解系統。電壓效率通常按照如下公式(1)計算,它給出了用于分離水的有效電壓與施加到電池的總電壓的比例。

如何提升堿性電解水效率?


法拉第效率和熱效率,方程(2)和(3)是根據水電解反應的能量變化計算的兩個不同參數。輸入的能量分別是水分解反應的吉布斯自由能變化和焓變化。


如何提升堿性電解水效率?

評估水電解系統效率的另一種方法是考慮氫氣生產的輸出與施加到系統的總電能 ?W,公式 (4),


如何提升堿性電解水效率?


其中 t 是時間,VH2 是電解池每單位體積的產氫率。

基于上述表達式,可以得出結論,要提高AWE的效率,就必須降低分解水分子所需的能量。通過減少需要克服的總過電位,驅動反應所需的電解池電位(壓)降低。施加在電極上的電壓可分為三個部分。它們是:分解電壓、電極上的過電壓電極之間間隙中的歐姆損耗,后者是電解池電流和該間隙之間歐姆電阻的乘積。在 298 K 的溫度和 1 atm 的壓力下,水的可逆分解電壓為 1.23 V。在等溫運行時,所需的能量會導致 1.48 V 的等效電池電壓(熱中性電壓),并在生成氣態產物時吸收更多的能量。在實際應用中,直到電壓達到 1.48~2.0 V 時才會有氣體生成。

分解電壓以標況來看是固定存在的,但由于過壓和歐姆損耗,實際電池的工作電壓可能更高。其中過電壓又分為兩種(活化過電壓和濃差過電壓)。

如何提升堿性電解水效率?


1、活化過電壓是由于電極反應緩慢造成的。


HER和OER發生必須克服的活化能,由活化過電位表示。活化過電壓隨用作電極的金屬及其表面狀況而變化。在高溫高壓下工作時,過電壓會降低,并隨著電極反應的電流密度增加而增加。


改善并降低活化過電位、提高AWE效率的途徑現在集中在開發新的電催化劑上,以提高析氫和析氧反應的活性。下面可以分享一些現成的文獻數據供參考,下圖1和圖2 分別為HER和OER相關的一些材料驗證:
如何提升堿性電解水效率?
如何提升堿性電解水效率?


圖1:適合工業 AWE 的幾種HER 的電催化劑的過電位和塔菲爾斜率概覽


如何提升堿性電解水效率?
如何提升堿性電解水效率?
圖2:適合工業 AWE 的幾種HER 的電催化劑的過電位和塔菲爾斜率概覽
2、濃差過電壓是由于靠近電極的電解質層成分發生變化而產生的。


離子排出電極表面,形成氫氣和氧氣。電解液的選擇要兼顧最大的導電性和對結構材料最小的腐蝕率。堿性電解水一般選擇氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。在電解過程中,靠近陰極的溶液濃度較高,而靠近陽極的溶液濃度較低,這是因為離子的流動性不同。電解過程在高溫下進行會導致導電性增加。在電解過程中,電極間隙會被部分氣體填充,從而增加其電阻。

一般來說可采用電解液攪拌(可采用超聲波等方式)、有利的電極幾何形狀(流場的不同設計、不同絲徑目數的編織網、不同目數孔徑或形狀的拉伸網、泡沫鎳、鎳氈等等)和在高壓下操作等方法(可做到3MP左右,再升高壓力對電解效率提升有限)將這種影響降至很低。


3、歐姆損耗壓降也是一個需要考慮的問題。
1)氣泡效應是歐姆下降的主要因素。


在水電解過程中,在電極處形成氣泡,不能通過電解液迅速分散并從電解系統中去除,因此它們積聚在陰極和陽極表面,阻塞活性位點。當氣泡的直徑達到臨界值時,氣泡會從電極表面分離到電解質中。

傳統的方式是透過電解液中添加不同形式的消泡劑來盡可能降低氣泡對歐姆壓降的貢獻。但這些添加物質本身由于毒性以及其他環保因素未來考慮禁止使用。如何采用其方式去除氣泡效應也是值得思考的地方。研究表明,設置電解質流量有助于在操作過程中將氣泡從電極表面分離。此外,目前先進的電解槽在高達3MPa的壓力下工作,這減少了氣泡的體積,最大限度地減少了系統的歐姆損失。但是,加壓操作環境需要更耐用的分離器設計。


2)電解液的離子電阻也是對歐姆損耗有很大影響的參數。


過往的研究表明,在已經確定的工作溫度下,電解質的最佳濃度在30~40 W%(7-10.1Mol)的范圍內。這些操作條件是產生氫氣的最佳條件,不僅因為電解液的導電性,還因為腐蝕速率。增加KOH的量會導致電解質成分的堿性環境更具腐蝕性,從而導致腐蝕增加。較高的溫度也有同樣的效果。因此,盡管具有輕微的腐蝕作用,但在侵蝕性較小的條件下運行,可以延長電解組件的使用壽命,從而對制氫的總成本產生積極影響。這些溫度還可以防止因蒸發而造成更大的水分損失。由于電解液中的氣泡而導致電解過程效率的損失是決定電解液某些操作條件的另一個問題。

用作電解質的典型溶液有幾個相關問題,如電極材料(暴露在腐蝕性電解質中)穩定性低,以及在電池工作條件下電導率低,氣泡形成明顯。最近,在電解液中添加離子活化劑引起了廣泛關注。這是一種簡單、低成本、高效率的操作,可顯著降低水電解過程中的能耗。離子活化劑的作用原理是在陰極表面原位電沉積金屬復合材料,從而提高對 HER 的催化活性和電極的穩定性。它們還能增強電解質的離子導電性,提高電極的耐腐蝕性。有一些現成的研究結果表面可節能提效10%~15%。

使用離子液體(ILs)作為電解質或將其與傳統堿性溶液的混合物也是提高電池效率的可行替代方案,因為它們有可能對電解質和電極之間的親和力產生積極影響。室溫下的IL是半有機化合物,由有機陽離子和有機或無機陰離子組成。它們具有高離子電導率、穩定性和熱容,并且對金屬電極有化學惰性。也有一些研究成果可供分享。


3)電極距離也是對歐姆損耗有很大影響的參數。


一般來說,歐姆電阻隨著電極和隔膜之間距離的減小而降低。然而,當使用片狀電極時,有必要找到該距離的最佳值。當電極之間的間隙大于最佳值時,距離的減小會導致電壓降低。一旦達到最佳距離,減小距離會導致電壓增加。因為當電極和隔膜之間的距離非常低時,在這種情況下,氣泡的百分比變得如此之高,以至于電解質電阻顯著增加,從而增加了電解所需的電壓。研究還表明,氣泡的最佳距離和速度成反比;氣體離開電解槽的速度越快,內部積聚的氣泡就越少,因此可以縮短最佳距離并降低電解質電阻(水電解效率提高)。零間隙電池配置旨在滿足減少電極和隔膜之間距離以提高電解效率的需求。在AWE中,零間隙電池設計的工作原理是壓縮氣體分離隔膜兩側的兩個多孔電極,形成所謂的MEA。這使得電極間隙與隔膜的厚度一樣小,從而大大降低了兩個電極之間電解質的歐姆電阻貢獻。傳統設置和零間隙配置之間的主要區別在于使用多孔電極而不是固體金屬板,這迫使氣泡從電極背面釋放,而不是向電解池頂部遷移,從而減少它們對電池電壓的貢獻??傮w而言,零間隙電池設計允許非常小的電極間隙、緊湊的設計、高效率和更高的安全性。目前大多數AWE系統都采用這種配置。


4)隔膜離子電阻也是對歐姆損耗有很大影響的參數。
隔膜的主要目的是使陰極與陽極分離。具體為:
a. 電極產生的氣體混合,保持化學穩定性和安全性。
b.可能發生的副氧化還原反應(在陰極還原某種物質,然后在陽極將其再氧化),從而提高所需反應的效率。
c.如果它們間隔很近,防止陽極和陰極之間可能的物理接觸。


由于電解池電阻較高,使用隔膜不僅會增加電池結構的成本和復雜性,還會增加給定電流密度所需的電池電位。為了提高AWE的效率,隔膜材料必須:對電解介質具有化學和機械穩定性,必須對單一類型的離子(氫氧根離子)具有高選擇性,高離子電導率(和低電導率)和低透氣性;它必須能夠在高電流密度下高效運行;它必須能夠抵抗氣泡形成引起的壓力;它還應該易于處理,成本相對較低,使用壽命長。

高溫和高壓本章暫且不討論!


因此,正確定義電極和電催化劑、電解質和隔膜的材料、工作條件和電解池配置對于最小化過電位和歐姆損耗的總值以及實現電化學系統的最大效率至關重要。


來源:氫眼所見

注:已獲得轉載權



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