科普 电解效率知识科普

来源：氢眼所见 

一、电解1800年，两位英国科学家William Nicholson和Anthony Carlisle发现了直流电解法，从而建立了电化学作为一个新的科学领域。在很长一段时间里，电解是工业生产氢的主要技术。然而，越来越多的天然气的使用在很大程度上取代了这一技术与更经济有效的蒸汽重整。200多年后的今天，电流分解水的方法又重新流行起来。这是因为这项技术提供了以氢的形式转换和储存可再生电力作为化学能源的可能性。在这个过程中，传统的碱性电解被现代的聚合物电解质膜(PEM)电解技术所补充。电解系统的效率对于使用可再生能源的电化学制氢在技术和经济上都是至关重要的。制氢成本主要由相对较高的电力成本以及工厂的运行时间和摊销所决定。从技术角度来看，这些成本只能通过提高整体效率来降低。

二、摘要

电解装置的效率是其关键参数之一。它在很大程度上决定了电力消耗，因此也决定了大部分的运营成本。另一方面，效率与所有影响制氢成本的外围参数相关，例如运行模式(运行时间)、使用寿命和投资成本。仅凭这一点，电解技术中效率的定义、计算和解释就值得仔细研究。

在实际使用该技术时，经常提到堆效率、系统效率和工厂效率。所有这三个都代表了各种低效率的产物，因此没有明确的定义。电堆效率，有时也称为直流效率，本身是法拉第效率(也称为电流效率)和电压效率的乘积，由于主要损耗，法拉第效率通常用作电解过程的特征曲线。在理想的电堆中，电压决定了电流密度范围内的效率。

 图1:U/I特性的示意图及其对效率的间接比例影响。因此，所谓的U/I特性也是评价电解技术中最重要的图表。除了电堆中的主要损耗外，在确定系统或设备的效率时还必须考虑各种辅助负载。在这方面最大的挑战是清楚地定义系统或平衡的边界。这不仅会影响单个封装及其功耗，还会影响平衡界面上所有参数的状态和质量，例如水质、废热、电力质量和气体质量以及压力水平。

三、电解效率

1、效率的定义

对制氢电解装置的效率进行系统的检查，可得出许多适用于大范围系统边界的规格。最常用的参数如下所示。1.1法拉第效率法拉第效率是实际生产和技术上可用的氢气产量与理论最大产量的比率。例如，它考虑了H2通过膜的扩散损失、电流损失或下游氢净化系统中氧污染转化造成的氢损失。由于采样或其他损失造成的质量损失也可以包括在计算中。

  定义为实际产氢量，为理想条件下最大可能产氢量。1.2电压效率

电压效率常常与直流效率相混淆。电压效率定义为热中性电压E?h与被测电池电压E???l（i，T）之商。热中性电压由熵变束缚的热能组成，在标准条件下为1.48 V。这不能与可逆电池电压(???= 1.23 V)相混淆，可逆电池电压必须作为将水分解成H2和O2组分的最低电压。电堆电解电压，然而，也包括所有的催化和电损失在直流供电的电化学电堆。

1.3直流效率

直流效率包括电堆或模块的效率。最终，它表示以直流电流形式输入到电堆的能量与电堆输出中技术上可用的氢的能量含量的比率。高热值或低热值规格在这里是相关的。

根据法拉第效率的系统边界的定义，也可以使用具有电压效率的产品定义。

1.4系统/设备效率

虽然氢能界在一定程度上同意上述效率定义，但除了命名法之外，系统或工厂效率的系统边界是任意定义的。根据供应范围的不同，还可能包括AC/DC转换和中压转换、水处理、冷却系统、为建筑物提供电能和辅助包或压缩和氢净化的损失。

图2:系统效率及其示意图

必须对各自的系统边界进行相应的详细调查，以便对效率数据进行比较。

图3：系统的边界示意图

2、UI特性
对于大多数技术设备来说，效率也取决于工作点。电化学令人兴奋的方面是电化学反应的效率，即电压效率，在部分负载下增加。温度对效率也有显著影响，压力对效率的影响较小。

2.1工作参数一：电流密度

电解功率曲线通常表示为U/I特性。如下图：

图4：U/I特性的示意图

由于电流密度与氢气生成速率成正比(见上面公式)，因此电流密度越大，氢气生成速率越高。

其中，z表示参与反应的电子数，F表示法拉第常数。

电池电压也随着电流密度的增加而增加，从而降低电压效率，如前面公式所示。

2.2工作参数二：温度

温度对效率有进一步的显著影响。催化反应速率和比电阻在很大程度上取决于温度。温度越高，效率越高。

说明：较高的压力对效率只有轻微的负面影响，这部分是由电池中流体动力学特性的改善所补偿的，即更小的气泡。

图5：显示温度对效率影响的示意图

2.3提高电压效率

因此，U/I特性的斜率是效率提高的真正指标。采用更有效的催化剂或更低的电池阻力可以实现更小的斜率。

图6：显示低电阻对效率影响的示意图两个电极之间的距离对U/I特性的斜率有很大的影响。载流子在阳极和阴极之间穿行的距离越短，电压降就越小，相应的效率也就越高。

四、PEM和碱性电解特殊差异目前市场上有两种与商业相关的电解技术，用于兆瓦级范围的生产:PEM和碱性电解。这两种技术的主要区别在于电封闭电化学过程的离子电荷载体，以及实际的电解质。聚合物电解质膜(PEM)或质子交换膜技术，顾名思义，包括一种固体电解质，它通过电子隔离阳极和阴极，但通过对阳离子的选择性导电性在电上关闭电路。这种几乎不透气的固体电解质有几个特殊的优点。一方面，它充当阳极(氧侧)和阴极(氢侧)之间的物理分隔器，并防止产生的气体混合。这样就可以在压差下进行操作。无意的压差可能导致气体混合，从而造成安全隐患，因此可以更容易地处理。另一方面，在动态操作或更长时间的部分负荷操作中，膜还确保了高气体产物纯度，在这两种电解技术中，由于扩散，污染物气体浓度会随着产气速率的增加而增加。碱性电解槽（ALK）具有多孔分离器，以物理方式分离氢气和氧气，同时仍然允许液体电解质的运输。这种多孔分离器增加了对碱性电解槽动态运行的要求。由于其多孔分离器，在碱性电解槽中绝对必须防止可能导致危险的氧和氢混合的压差。

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