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。

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

其中 t 是時(shí)間，V_H2 是電解池每單位體積的產(chǎn)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(guò)減少需要克服的總過(guò)電位，驅動(dòng)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(gè)部分。它們是：分解電壓、電極上的過(guò)電壓和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(shí)，所需的能量會(huì )導致 1.48 V 的等效電池電壓（熱中性電壓），并在生成氣態(tài)產(chǎn)物時(shí)吸收更多的能量。在實(shí)際應用中，直到電壓達到 1.48~2.0 V 時(shí)才會(huì )有氣體生成。

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

HER和OER發(fā)生必須克服的活化能，由活化過(guò)電位表示。活化過(guò)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(shí)，過(guò)電壓會(huì )降低，并隨著(zhù)電極反應的電流密度增加而增加。

圖1：適合工業(yè) AWE 的幾種HER 的電催化劑的過(guò)電位和塔菲爾斜率概覽

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(guò)程中，靠近陰極的溶液濃度較高，而靠近陽(yáng)極的溶液濃度較低，這是因為離子的流動(dòng)性不同。電解過(guò)程在高溫下進(jìn)行會(huì )導致導電性增加。在電解過(guò)程中，電極間隙會(huì )被部分氣體填充，從而增加其電阻。

一般來(lái)說(shuō)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(chǎng)的不同設計、不同絲徑目數的編織網(wǎng)、不同目數孔徑或形狀的拉伸網(wǎng)、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。

在水電解過(guò)程中，在電極處形成氣泡，不能通過(guò)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(yáng)極表面，阻塞活性位點(diǎn)。當氣泡的直徑達到臨界值時(shí)，氣泡會(huì )從電極表面分離到電解質(zhì)中。

傳統的方式是透過(guò)電解液中添加不同形式的消泡劑來(lái)盡可能降低氣泡對歐姆壓降的貢獻。但這些添加物質(zhì)本身由于毒性以及其他環(huán)保因素未來(lái)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(zhì)流量有助于在操作過(guò)程中將氣泡從電極表面分離。此外，目前先進(jìn)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(huán)境需要更耐用的分離器設計。

過(guò)往的研究表明，在已經(jīng)確定的工作溫度下，電解質(zhì)的最佳濃度在30~40 W%（7-10.1Mol）的范圍內。這些操作條件是產(chǎn)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(huì )導致電解質(zhì)成分的堿性環(huán)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(cháng)電解組件的使用壽命，從而對制氫的總成本產(chǎn)生積極影響。這些溫度還可以防止因蒸發(fā)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(guò)程效率的損失是決定電解液某些操作條件的另一個(gè)問(wèn)題。

用作電解質(zhì)的典型溶液有幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題，如電極材料（暴露在腐蝕性電解質(zhì)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(guān)注。這是一種簡(jiǎn)單、低成本、高效率的操作，可顯著(zhù)降低水電解過(guò)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(zhì)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(zhì)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(zhì)和電極之間的親和力產(chǎn)生積極影響。室溫下的IL是半有機化合物，由有機陽(yáng)離子和有機或無(wú)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(xué)惰性。也有一些研究成果可供分享。

一般來(lái)說(shuō)，歐姆電阻隨著(zhù)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(shí)，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(shí)，距離的減小會(huì )導致電壓降低。一旦達到最佳距離，減小距離會(huì )導致電壓增加。因為當電極和隔膜之間的距離非常低時(shí)，在這種情況下，氣泡的百分比變得如此之高，以至于電解質(zhì)電阻顯著(zhù)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(kāi)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(zhì)電阻（水電解效率提高）。零間隙電池配置旨在滿(mǎn)足減少電極和隔膜之間距離以提高電解效率的需求。在A(yíng)WE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(gè)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(gè)電極之間電解質(zhì)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。

由于電解池電阻較高，使用隔膜不僅會(huì )增加電池結構的成本和復雜性，還會(huì )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(zhì)具有化學(xué)和機械穩定性，必須對單一類(lèi)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(cháng)。

高溫和高壓本章暫且不討論！

來(lái)源：氫眼所見(jiàn)

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