電解水是生產(chǎn)氧氣和氫氣的方法。在PEM電解過(guò)程中，水被引入陽(yáng)極，在電解液存在的電流的驅動(dòng)下，水被電化學(xué)分解成氧、質(zhì)子和電子。然后質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子導電膜到達陰極，而電子穿過(guò)外部電路，為反應提供必要的電池電壓。在陰極，質(zhì)子和電子重新結合形成氫氣。反應產(chǎn)生氫氣和氧氣的體積比分別為二比一。電解質(zhì)膜的設計保證了氣體的分離，防止電解裝置內形成潛在的爆炸性混合物。這些氣體的產(chǎn)生速率與流過(guò)電池的電流成正比。所示方案如圖1所示，概述了水電解背后的基本原理，包括該過(guò)程中涉及的兩個(gè)半電池反應。
圖1：質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽示意圖，包括陽(yáng)極、陰極和PEM等核心部件，以及水輸入、氧氣和氫氣輸出的方向，以及質(zhì)子(H+)在膜上的流動(dòng)，由直流電源供電
在陰極：
電解啟動(dòng)所需的最小電池電壓可以使用吉布斯自由能(ΔG)來(lái)計算。在標準條件下，水分解為氫和氧的ΔG由下式確定。
其中n 代表所涉及的電子數，F是法拉第常數(96,500庫侖)，Erev 是可逆電壓，計算為：
然而，由于在水的分裂過(guò)程中熵的產(chǎn)生，它是更準確地使用焓(ΔH)而不是ΔG來(lái)計算勢能。在標準條件下，ΔH = 285.84 kJ/mol，ΔS(熵變)= 0.1631 kJ/mol K， ΔG = 237.22 kJ/mol。因此，熱中性電壓(VTN )是電解所需的最小電壓，計算公式如下:T 是溫度。這個(gè)電壓為1.484 V，代表了在低輸出速率下由電力提供的能量，與理想情況相比，它接近實(shí)際電池性能，效率損失為20%。在實(shí)際條件下，由于電解液和電極的功率損失，商業(yè)電解槽的工作電壓超過(guò)理論估計20%以上，這源于電解槽內電流產(chǎn)生氣體的不可逆過(guò)程。這些損耗包括每個(gè)電極的非線(xiàn)性不可逆性以及電池材料和電解質(zhì)的內阻造成的歐姆損耗。損失的主要機制如下：(1)電動(dòng)力學(xué)限制：在電極-電解質(zhì)邊界，不可逆的電子轉移過(guò)程，由Butler-Volmer方程控制，導致陽(yáng)極和陰極的激活過(guò)電位。這些部位的催化劑加快了反應速率。陽(yáng)極的析氧反應需要四電子轉移，本質(zhì)上比陰極的析氫反應更復雜；因此，陽(yáng)極需要更大的過(guò)電位。(2)濃度過(guò)電位：這是由于反應物的擴散速度緩慢，導致電極表面反應物的短缺。(3)歐姆損耗：由電解液中離子流的電阻和電極、集流器、雙極板的電阻以及電解池組件之間界面的電阻引起，當電流流過(guò)電池時(shí)，所有這些都會(huì )產(chǎn)生額外的損耗。這些因素——陽(yáng)極(ηAn)和陰極(ηCath)的過(guò)電位，以及可逆電池電壓(Vrev)和電池面積比歐姆電阻(RA )的電壓降——共同決定了電池的總電壓(Vcell )。為了補償所有的損失，需要額外的電能，這符合熱力學(xué)第一定律，確保能量守恒。轉換效率，即電能轉化為化學(xué)能的效率，是用氫的較高熱值(HHV)來(lái)計算的。由于電解過(guò)程涉及液相中的水，因此效率為：
其中VTN為熱中性電壓，VCell 為電解過(guò)程中的實(shí)際工作電壓。
來(lái)源：氫眼所見(jiàn)
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吳工
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