电解水

摘要

氢能是高密度、洁净、可再生的二次能源,发展氢能己成为缓解我国能源供应压力、保障能源安全、促进环境保护的能源战略之一。目前,氢能大规模商业应用首要解决的问题就是如何高效地制备大量廉价的氢气。由于制氢技术的多样性和整体发展的

不均性,迫切需要开展与氢能系统评价相关的研究。

本文详细介绍了碱性电解水制氢、固体聚合物电解水制氢、高温固体氧化物电解水制氢三种电解水制氢技术的特点、研究水平及应用现状等，并对其在风力发电、太

阳能光伏发电及太阳能光热发电领域应用的适宜性进行了分析评价。

关键词:制氢技术; 可再生能源发电。

1.引言

随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产

生的环境污染问题日益尖锐。新能源资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改

善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社

会的广泛关注。在能源安全与环境保护的双重压力下，技术相对成熟、具备规模化开

发条件的风力发电、在世界范围内取得了飞速发展。特别是近年来，风力发电的产业

规模和市场化程度逐年提高。截至 2012 年底，我国新增风电装机 1404.9 万千瓦（吊装容量），我国累计风电装机量超过 7000 万千瓦。由于风能等可再生能源自身特点

决定了风电是典型的随机性、间歇性电源。其大规模并网发电对电网的安全稳定和运

行调度等诸多方面均有很大影响。特别是随着可再生能源发电规模的不断扩大，对电

网的影响将更加显著，这已成为制约可再生能源发电规模化发展的严重障碍。风电是

目前装机规模最大可再生能源发电技术，目前由于风电并网难题，全国风电场普遍存

在弃风问题，其比例甚至可达 1/3。如何充分利用这部分弃风电能成为我国各风力发

电企业关注的重点。

电解水制氢是一种高效、清洁的制氢技术，其制氢工艺简单，产品纯度高，氢气、氧气纯度一般可达 99.9％，是最有潜力的大规模制氢技术。特别是随着目前可再生能源发电的日益增长，氢气将成为电能存储的理想载体。通过将可再生能源发电经过电

解水制氢技术，将可再生能源产生的电能转化为氢能进行储存，并且根据实际需要，

还可通过后续化工过程将氢能转化为甲烷、甲醇及其他液态燃料等。

目前我国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一。工业规模的制氢方法主要

包括甲烷蒸汽重整和电解水制氢，其中电解水制氢的产量约占世界氢气总产量 4％。

尽管甲烷蒸汽重整是目前最经济的制氢方法，但其在生产过程中不仅消耗大量化石燃

料，而且产生大量二氧化碳。电解水制氢工艺过程简单，产品纯度高，通过采用可再

生能源作为能量来源，可现氢气的高效、清洁、大规模制备，该技术也可以用于CO2

的减排和转化，具有较为广阔的发展前景。

目前的电解水制氢方法主要有三种：碱性电解水制氢，固体聚合物电解水制氢，

及高温固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢是目前非常成熟的制氢方法，目前为止，工业上大规模的电解水制氢基本上都是采用碱性电解制氢技术，该方法工艺过程

简单，易于操作。电解制氢的主要能耗为电能，每立方米氢气电耗约为4.5～5.5kWh，电费占整个电解制氢生产成本的 80％左右。因此，电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。

2.电解水制氢原理

水电解制氢是实现工业化廉价制备 H2的重要手段，可制得纯度为 99%～99.9%

的产品。每年我国在水电解制氢上的电能消耗达到（1.5×107）kW·h以上。当电流从

电极间通过时，在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气，水被电解掉。水电解制氢设

备中的核心部分是电解槽，电极材料又是电解槽的关键所在。电极性能的好坏在很大

程度上决定着水电解的槽电压高低及能耗大小，并直接影响成本。提供电能使水分解

制得氢气的效率一般在 75%～85%，其工艺过程简单，无污染，但电耗大，因此起应用收到一定的限制。

电解水反应是在电解槽中进行的，电解槽内充满电解质，用隔膜将电解槽分为阳极室和阴极室，各室内分别置有电极。由于水的导电性很小，故用加入电解质的水溶

液（浓度约为 15%）。当在一定电压下电流从电极间通过时，则在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气，从而达到水的电解。理论上来说，铂系金属是作为电解水电极的

最理想金属，但实际中为了降低设备和生产成本，常采用镀镍的铁电极。

进行电解水时，电极反应式如下。

酸性溶液中，阴极反应：

4H++4e=2H2ϕ0=0V

阳极反应：

2H2O=4H++O2+4e ϕ0=1.23V

碱性溶液中，阴极反应：

4H2O+4e=2H2+4OH－ϕ0=-0.828V

阳极反应：

4OH－=2H2O+O2+4e ϕ0=0.401V

从上式可以看出，不论在酸性还是碱性溶液中，水电解的总反应都是如下。

2H2O=2H2+O2水的理论分解电压与 pH 值无关，因而酸性溶液或碱性溶液都可作为电解液。但从电解槽结构及材料的选择方面来看，使用酸性容易出各种故障。故现在工

业上都采用碱性溶液。

水的理论分解电压与 pH 值无关，因而酸性溶液或碱性溶液都可作为电解液。但从电解槽结构及材料的选择方面来看，使用酸性容易出各种故障。故现在工业上都采

用碱性溶液。

碱性水电解制氢是目前制备氢气比较常用而且也是发展比较成熟的方法。该法对设备的要求不高，投资主要集中在设备；制得的氢纯度高，但效率不是很高。其工艺

过程也相对环保无污染，但是消耗大量电能，因此受到一定的限制。工业上电解水的

压力一般在 1.65～2.2V。

评价碱性水电解电极材料的优良与否，电极材料的使用寿命和水电解能耗是关键因素。当电流密度不大时，主要影响因素是过电位；电流密度增大后，过电位和电阻

电压将成为主要能耗的因素。在实际应用中工业电极应具有以下几点：（1）高表面积；（2）高导电性；（3）良好的电催化活性；（4）长期的机械和化学稳定性；（5）小气泡析出；（6）高选择性；（7）易得到和低费用；（8）安全性。水电解制氢往往要求采用较大的电流密度（4000 A/m2以上），因此第 2 和第 4 点显得更加重要。因