上海节能 No.08 2021 电解水制氢技术概述及发展现状 杜迎晨 1 2 雷 浩 1 2 钱余海 12 1 . 山东铝谷产业技术研究院有限公司 2 . 铝谷产业技术研究院 摘要：由于传统化石燃料的不可再生性以及燃烧释放co2所带来的环境问题,需要积极发展新能源来替代 传统能源。氢能具有热值高、 来源广泛以及可持续发展等优点， 因此备受人们青睐。在各类|~|2制备技术中， 电解水工艺简单， 生产全程无污染， 是制备 H2的重要发展途径。本文介绍了电解水制氢的原理并分析电解 水制氢的影响因素， 同时分别从阴极析氢材料、阳极析氧材料以及电解池系统三个方面来阐述目前电解水 制氢技术的发展现状。 关键词：能源；氢能；制氢技术；电解水 DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2021.08.007 Technology Overview and Development Status o f Hydro­ gen Production from Water Electrolysis DU Yingchen, LEI Hao, QIAN Yuhai 1. Shandong Aluminum Valley Industrial Technology Institute Co., Ltd. 2. Aluminum Valley Industrial Technology Institute Abstract: Due to the non-renewable nature of traditional fossil fuels and the environmental problems caused by the release of carbon dioxide from combustion, new energy sources need to be actively developed to re­ place traditional energy sources. Hydrogen energy is highly preferred because of its high calorific value, wide range of sources and sustainability. Among the various hydrogen preparation technologies, electrolysis of water is an important development pathway for the preparation of hydrogen because of its simple process and pollu- 收稿日期：2 0 2 1 -0 7 -0 2 作者简介：杜迎晨（ 1 9 9 5 -0 2 -)男 ， 硕士， 研究方向为功能复合材料 雷浩（1 9 7 3 - 1 0 - ) ,男 ， 博士, 研究方向为材料科学与工程， 物理化学， 薄膜制备技术及其在材料和能源方面的应用 钱佘海（ 1 9 7 3 -0 5 -)男， 博士， 研究方向为金属材料研发 824 氢能专栏 HYDROGEN EN E R G Y C O L U M N 氢能专栏 上海节能 电解水制氦技术概述及发展现状 HYDROGEN ENERGY COLUM N tion-free production process. This paper introduces the principle of hydrogen production from electrolytic water and analyzes the influencing factors of hydrogen production from electrolytic water, and describes the current development status of hydrogen production from electrolytic water in three aspects: cathode hydrogen precipi­ tation material, anode oxygen precipitation material and electrolytic cell system. Key words: Energy; Hydrogen Energy; Hydrogen Production Technology; Water Electrolysis 〇 引言 源利用的持久发展。 电解水制氢以水为原料， 通过 外 接 电 路 施 加 电 压 来 生 成 心 和 02。该方法工艺简 2 0 世纪以来， 人类社会不断进步， 工业不断发 单高效， 制 备 的 吨 纯 度 高 。 电解水制氢的原料为 展， 传统的以煤、 石油、 天然气为主的能源结构给人 水， 储量丰富； 产物为〇2和曰2 ， 无任何其他有害物 类社会 发 展 带 来 一 系 列 的 问 题 。能源的消耗支撑 质产生[3]。 随着太阳能发电、 风能发电以及潮汐能 着社会的进步和工业的发展, 而煤炭、 石油、 天然气 发电等技术的发展， 过剩的电能可用于电解水， 转 等传统的化石能源属于不可再生资源， 开采寿命有 变成氢能。 电解水制氢的整个过程可实现绿色环 限， 能 源 的 曰 益 枯 竭 将 是 我 们 面 临 的 一 大 挑 战 [1]。 保 。氢能以及电解水制氢的优势使得其备受关注， 石油、 天然气以及煤炭的消耗将附带大量的C0 2气 成为解决目前能源危机的重要途径之一。 体排放， 导致温室效应不断加剧， 并将造成一系列 的生态和环境问题， 严重危及人类生存和发展。能 源问题是当今人类面临的重大前沿科学问题。 1 电解水制氢原理 1 7 8 9 年 ，电解水产生气体的现象首次被发现， 我国的能源结构单一， 过于依赖传统的化石燃 自此开启了电解水制氢技术长达两个多世纪的发 料 。随着我国经济发展和人口增长,能源消耗将不 展 历 程 。Nicholson和 Carlislel于 1 8 0 0 年 ， 通过伏 断加剧， 能源压力和环境问题日益突出， 急需转变 打电堆成功实现电解水,并确定其气状产物为曰2和 传统化石燃料为主的能源结构， 不断发展持久型新 〇2[4,5]。随后到了 1 9 世 纪 3 0 年 代 ， 法拉第定律的提 能源， 走可 持 续 发 展 道 路 。 同 时 ， 为了实现我国碳 出对电解水进行了科学定义, 各种电解池装置的研 达峰、 碳中和的目标和要求， 不 断 减 少 c o 2排 放 ， 能 究 推 动 着 电 解 水 制氢技术不断发展。虽然由于人 源利用需向低碳型转变。 们对氢能的认知和需求并不完全， 导致电解水制氢 因此， 寻找新型高效环境友好型的能源是解决 技术的发展并不顺利， 却并没有因此中断技术的发 目前能源危机的重要途径。风 能 、 太阳能、 潮汐能 展 [6]。 随 着能源结构的调整,氢能的重要地位逐渐 以及氢能等一系列的洁净能源备受人们关注， 近年 显现， 电解水制氢的技术也迅速发展。 来不断 研 究 其 制 备 和 应 用 技 术 。氢能是一种能够 电解水制氢基本原理是以水作为原料,外部施 替代化石燃料的绿色可再生能源， 具有广阔的研究 加电压， 形成完整通电回路， 电能的注入打破水分 前 景 。氢 能 的 能 量 密 度 极 高 ， 具有最高的燃烧热 子内部平衡， 发生 裂 解 ， 氢原子和氧原子进行重构， 值 ,是 其 他 燃 料 的 2 到 3 倍 '氢 能 的 应 用 广 泛 ， 随 最终析出曰2和 0 2。电解水的基本反应过程可用以 时随地进行供给， 储量丰富， 制备方法多样,并可由 下表达式表不： 其他能源进行转换。 目前制取吨的方法主要分为 2^,1;----- t t (1) 传统化石燃料制氢法 和 电 解 水 制 氢 法 。传统的化 该 反 应 由 两 个 半 反 应 组 成 ：阴 极 析 氢 反 应 石燃料制氢技术成熟， 但 制 备 H2依赖的是不可再生 ( HER) 和 阳 极 析 氧 反 应 （ 0 ER) 。整个反应系统的 的矿物燃料， 能耗高且会造成环境问题， 不利于能 主 要 组 成 部 分 可 分 为 外 部 电 源 、阴阳两极和电解 2021年第0 8 期 S H A N G H A I E N E R G Y C O N S E R V AT I ON 825 上海节能 No.08 2021 子 反 应 释 放 H2的 过 程 则 为 电化学脱附过程( Hey­ 质 。阴极反应生成 h 2, 阳极反应产生〇2。 由于电极所处溶液环境的不同， 阴阳两极发生 rovsky 反 应 ）。 在 碱 性 或 中 性 电 解 溶 液 中 ， 游离态 氢原子来源于水的分解， 所以首先水分子经过分解 的具体反应过程也有所差异。 在 酸 性 的 溶 液 环 境 中 ，阴阳两 极 的 具 体 反 应 形 成 H+和 OH- 。然 后 再 进 行 Volmer步 骤 ， 随之通 过 Tafel过 程 和 Heyrovsky过 程 生 成 H2。 由以上析 如下： 阴极反应：2 /r + 2 e—— >H 2 (2 ) 阳极反应：// 2〇— >2H * + \ / 2()2+ 2e~ (3 ) 在碱性或者中性溶液环境中， 阴阳两极的具体 反应如下： 氢反应机理可以看出， 氢原子在电极表面吸附和脱 附的性能决定阴极析出H2的速率。 因此， 氢吸附自 由 能 （A G H) 是 分 析 析 氢 反 应 性 能 优 劣 的 重 要 参 数 。当 A G H> 0 时 ,Volmer反应速率快， 电极表面生 成 吸 附 氢 原 子 的 能 力 强 ,但 氢 原 子 的 脱 附 生 成 4的 阴极反应：2 / / 20 + 2e- — >H2+ 2()H - (4 ) 能 力 将 变 弱 ；A G H< 0 时 ,Volmer反 应 速 率 慢 ， 吸附 阳极反应：2W T — >H 10 + \ / 202+ 2e (5 ) 氢 原 子 的 生 成 速 率 降 低 ,制 约 整 个 过 程 4的 析 出 速 析氢反应过程是一个双电子转移的过程(见图 1 ) , 这个过程涉及包括氢原子的吸附以及脱附过 率 ；A G H= 0 时,氢原子的吸附和脱附能力都处于一 个较高的水平, H2析出的性能最好。