电解水制氢氧气怎么利用？电解水制氢

电解水制氢氧气怎么利用？电解水制氢纯水是很弱的电解质，它导电能力很差。一般蒸馏水的电导率是1×10-5~1×10-6(Ω.cm)-1水溶液的导电是由于溶液中带电的离子在电场中移动的结果，其电导率(电阻率的倒数)即溶液传导电流的能力的大小与水溶液中的离子浓度有关。电解水制氢技术立足于未来碳中和甚至负碳，技术相对成熟，被各界寄予厚望。电解水的设备—电解槽，由于其模块化特性，非常适合氢气的集中式生产，同时PEM制氢尤其适合与光伏、风能等可再生能源联合使用。随着可再生能源尤其是太阳能和风能的成本下降，国际上越来越关注可再生能源电解水制氢。目前中国能源结构正逐渐从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多元格局，国家发展和改革委员会与国家能源局联合发文，支持探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能，实现可再生能源多途径就近高效利用。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟预测，到2050年之后，70%氢气将来源于可再生能源，可以看

前言

水电解制造氢气是一种成熟的工业制造氢气的方法(也称为电解水制氢)。其生产历史已有100余年。水电解的历史可追溯到第一次工业革命。1800 年，Nicholson和Carlisle发现了水的电解。1902年，世界上已建成400多个工业电解池。

水电解制氢气技术具有产品纯度高、无污染和操作简便的特点，其效率一般在75%～85%，每立方米氢气电耗为4～5kW·h左右，这使得电费占整个水电解制造氢气生产费用的80%左右，水电解制氢的电能消耗较高，所以目前利用水电解制造氢气的产量仅占总产量的约4%，使得水电解制氢竞争力不高。不过，目前正大力推进可再生能源，对于水力资源、风力资源、太阳能资源丰富的地区，将不能上网的电用来水电解制氢气，实现“储能”的目的，对于大量的“弃风”、“弃水”而产生的“弃电”是发展电解水制造氢气的有利条件，对能源、环境与经济都具有现实意义。

国内范围来看，化石能源重整制氢（包括煤制氢、天然气制氢等）是目前氢气最主要的来源，占比达到97%。电解水制氢方面，规模占比约为3%。可以看出无论是国内还是国外，电解水制氢都只占极低的比例，那么未来为什么要发展电解水制氢？

根本原因在于现有成熟的制氢技术会造成大量的二氧化碳排放，就如蒸汽甲烷转化(SMR)技术，尽管在氨/尿素装置中，来自蒸汽甲烷重整的浓缩二氧化碳流（每年约13MtCO2）被捕获并用于尿素肥料的生产，但仍有大部分二氧化碳排被放到大气中。而其他技术如生物制氢、光电化学制氢、光生物制氢仍需大量研发努力。

电解水制氢技术立足于未来碳中和甚至负碳，技术相对成熟，被各界寄予厚望。电解水的设备—电解槽，由于其模块化特性，非常适合氢气的集中式生产，同时PEM制氢尤其适合与光伏、风能等可再生能源联合使用。随着可再生能源尤其是太阳能和风能的成本下降，国际上越来越关注可再生能源电解水制氢。

目前中国能源结构正逐渐从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多元格局，国家发展和改革委员会与国家能源局联合发文，支持探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能，实现可再生能源多途径就近高效利用。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟预测，到2050年之后，70%氢气将来源于可再生能源，可以看出可再生能源电解水制氢未来将成为主流。

水电解制氢的基本原理

水电解制氢是燃料电池氢气和氧气进行氧化一还原反应的逆反应。通过电能给水提供能量，破坏水分子的氢氧键即可获得氢气和氧气。水电解是在阴极上发生还原反应析出氢气和在阳极上发生氧化反应析出氧气的反应。

电解质

水溶液的导电是由于溶液中带电的离子在电场中移动的结果，其电导率(电阻率的倒数)即溶液传导电流的能力的大小与水溶液中的离子浓度有关。

纯水是很弱的电解质，它导电能力很差。一般蒸馏水的电导率是1×10-5~1×10-6(Ω.cm)-1

纯水电导率是1×10-6~1×10-7(Ω.cm)-1。水的电导率（或电阻率）与温度有关。当温度升高时，其电阻率降低，反之则升高。水电解时，电解质的选择十分重要，需综合考虑水溶液的电导率、稳定性、腐蚀性及经济性等因素。目前水电解制氢一般都采用碱性水溶液作电解质。常用的碱性电解质有氢氧化钾（KOH)、氢氧化钠(NaOH）水溶液。水分子放电析出氢及OH-离子。NA 或K 离子在电解液的浓度下，其析出电位要比氢析出电位负得多，因此阴极上H 先放电，析出氢；在阳极上因为没有别的负离子存在，因此OH-离子先放电析出氧。1摩尔水电解得到1摩尔氢气和0.5摩尔氧气。

水电解时的反应式，根据电解液的性质不同而有所不同。
碱性水溶液的电解过程电极上的反应主要为：

阳极反应

阴极反应

总反应

电解定律

众所周知的法拉第定律指出：电解时，在电极上析出物质的数量与通过电解质溶液的电流强度和通电时间成正比，即与通过溶液的电量成正比。可表达为：

式中—化学反应生成物的质量，g；

Ke—比例系数，称为电化当量；Ke=M/nF

M—物质的分子量，g/mol；

n—电极反应中电子得失的数目；

F—法拉第常数，每摩尔电子所携带的电量，F=96500C/mol=26.8A.h/mol；

I—电流，A；

t—通电时间，h。

水电解制氢技术工艺流程

图 水电解制氢工艺流程示意图

如图所示，在电解槽中经过电解产生的氢气或氧气连同碱液分别进入氢气或氧气分离器。在分离器中经气液分离后得到的碱液，经冷却器冷却，再经碱液过滤器过滤，除去碱液中因冷却而析出的固体杂质，然后返回电解槽继续进行电解。电解出来的氢气或氧气经气体分离器分离、气体冷却器冷却降温，再经捕滴器除去夹带的水分，进行纯化或输送到使用场所。