摘要：随着全球能源结构的转型，氢能生产技术的研究和开发受到了广泛关注。为提高电解水制氢的效率和降低能耗，研究对碱性电解槽进行了结构优化，包括阳极和阴极的尺寸调整、集流板材料的选择以及隔膜和气体扩散层的改进。实验结果显示，在200 mA/cm2的电流密度下，NiMo/NF电极的单位耗能最低，仅为4.085 kWh/m3H2，相较于其他电极平均降低了0.391 kWh/m3H2。而在600 mA/cm2的电流密度下，NiMo/NF电极的单位耗能依然最低，为4.982 kWh/m3H2，平均降低了0.477 kWh/m3H2。结果表明，NiMo/NF合金电极在电解水制氢过程中具有最优的析氢活性和能耗表现。研究可为大规模商业化制氢提供了一种经济且高效的技术方案，对于推动氢能技术的发展和应用具有重要的现实意义。

　　关键词：碱性电解槽；电解水；制氢；二元电极

　　0引言

　　随着对清洁能源需求的增加，碱性电解槽技术作为制氢的关键途径，近年来得到了快速发展。碱性电解槽技术因成本低、工艺成熟、易于大规模应用等优势，在电解水制氢领域占据重要地位[1]。然而，随着氢能产业的不断发展，对电解槽的效率、稳定性及经济性提出了更高要求。现阶段已有学者采用改进的碱性电解槽制取氢气，刘洋等针对电解槽阳极侧通道容易出现氧气推挤的现象，其在传统平行流道的基础上，提出一种新型的楔形流道。结果表明，采用该通道后氧气的质量流量提升了11.9%[2]。张丝钰等以可再生能源为研究对象，提出了一种基于可再生能源的电解水制氢系统。结果表明，在少数优质资源地制氢成本已下降至20元/kg[3]。然而当前在制氢的研究中，存在阳极和阴极常采用成本较低的材料，其无法满足高效率制氢的需求，研究基于此对碱性电解槽进行了改进。研究的创新点在于对碱性电解槽结构进行了改进，同时以电化学沉积法为基础制备了电极材料。研究旨在通过对碱性电解槽的改进和制备新型合金电极，以提高电解水制氢的效率并降低能耗。

　　1基于电化学沉积法的制氢实验设计

　　1.1碱性电解槽电极的预处理以及制备

　　在大规模的制氢工程中，碱性电解槽是当前技术较为成熟、成本较低且应用最为广泛的一种装置。研究首先对碱性电解槽进行了改进，其主要构件如图1所示。

　　在碱性电解槽电解水制氢过程中，相关能耗主要与电压有关，故产生单位体积的氢气所需的能耗计算如公式（1）所示：

       式中：W为能耗；U为电压；Vm为气体摩尔体积；F为法拉第常数。在碱性电解槽的主要部件中，阳极与阴极均为尺寸为8 cm×8 cm的正方形；同时阳极集流板和阴极集流板是尺寸为12.4 cm×11.8 cm、厚度为2 mm的纯镍板；端板为10 mm厚的不锈钢板；阳极腔室以及阴极腔室采用4 mm厚的聚醚醚酮板材，以此在保证结构强度以及刚度的同时能够耐高温以及保持较强的化学稳定性。在碱性电解槽的中间，研究采用聚苯硫醚隔膜将阳极与阴极进行隔离，最后增加了气体扩散层以使得气泡能够更好地扩散，该层的材料为镍网。在对电极进行制备前，首先需要进行预处理。研究中以泡沫镍作为电极的基底材料，首先将其置于丙酮中超声4 min后，随后在盐酸中超声2 min。超声完成后采用去离子水洗净后，通过无水乙醇进行洗净。最后将材料烘干备用。

　　研究涉及的催化电极为NiFe/NF。基于电化学沉积法的基本原理，首先制备前驱体。将上述烘干后的泡沫镍沉积12 min，沉积结束后采用超纯水洗净后，将前驱体置于KOH中氧化1.5 h后即可获得催化电极。研究进一步采用电化学沉积法，同时以Ni元素诱导为基础制备二元Ni合金电极。研究分别制备了三种二元合金电极，即NiMo/NF、NiW/NF以及NiCr/NF。NiCr/NF制备过程：首先准备NiSO4、（NH4）2MoO4、柠檬酸钠以及KCl试剂，其浓度分别为0.05、0.028 6、0.3、0.3 mol/L。将上述溶液与超纯水混合以制成沉积液，加入其1/3体积的0.4 mol/L的NH3·H2O后，加入1 mol/L的KOH溶液将pH值调至中性。选取TiRular板作为辅助电极，工作电极为上述步骤获得的泡沫镍。将辅助电极与工作电极置于制备好的沉积液中，以-100 mA/cm2沉积1.5 h。沉积结束后以超纯水洗净电极，切下8 cm×8 cm作为电解槽的工作电极。NiW/NF与NiCr/NF合金电极的制备与NiMo/NF制备较为相似：NiW/NF在制备的过程中将0.028 6 mol/L的（NH4）2MoO4更换为Na2WO4，同时调节pH时采用稀硫酸；NiMo/NF在制备的过程中将0.028 6 mol/L的（NH4）2MoO4更换为Cr（NO3）3，同时不需要调节pH值。

　　1.2碱性电解槽测试系统设计

　　以研究改进的碱性电解槽为基础，结合循环系统、温度控制系统以及数据记录与分析系统即可完成测试系统的构建。其中循环系统主要由碱液罐、隔膜泵以及相应的管理组成；温度控制系统主要由碱液的水浴加热系统以及外部辅助加热系统组成；数据记录与分析系统主要包括电源以及相关的工作站。碱性电解槽测试系统结构如图2所示。

　　2基于合金电极的制氢性能分析

　　研究首先比较了NiMo/NF等三种合金电极的制氢能力。相关的实验条件为，温度设置为80℃,电解质条件为质量分数为30%的KOH溶液。研究选取Ni/NF为基准电极，通过将基准电极与三种待测电极的电压值作差以表征制氢的活性，故基于基准电极与二元合金电极的电压差值如图3所示。

　　图3-1为电流密度为50~300 mA/cm2范围内电压差值对比，图3-2为电流密度为400~600 mA/cm2范围内电压差值对比。结果表明，除50~100 mA/cm2范围内NiW/NF组别电压差值呈下降趋势外，总体上随着电流密度的增加基准电极与三种二元合金电极的差值逐渐增大。其中当电流密度达到600 mA/cm2时，基准电极与NiMo/NF的差值达到最大值，其数值为0.215 V。基于基准电极与各二元电极的电压差值大小，可以看出NiMo/NF二元合金的电压值最小，其制取氢气的能力最优。现阶段评估碱性电解槽电解水制氢的性能时，通常电流密度为200 mA/cm2，故研究进一步选取200 mA/cm2以及上述研究中电压差值最大所对应的电流密度600 mA/cm2。故基于两种电流密度下的电极单位制氢能耗如图4所示。

　　图4-1为200 mA/cm2下4种电极的制氢耗能对比。结果表明，4种电极的制氢单位耗能数值均在4.0~5.0 kWh/m3H2，其中NiMo/NF电极的单位耗能仅为4.085 kWh/m3H2，其余电极的制氢单位耗能分别为4.554、4.512、4.362 kWh/m3H2。故在200 mA/cm2下选用NiMo电极制氢能够显著降低耗能，耗能平均降低了0.391 kWh/m3H2。图4-2为4种电极在600 mA/cm2下的制氢耗能对比。结果表明NiMo电极的单位耗能最低，其数值为4.982 kWh/m3H2，其相较于其余电极平均降低了0.477 kWh/m3H2。综上，采用NiMo/NF电极制氢时的耗能最低，其具有最优的析氢活性。

　　3结论

　　研究通过对碱性电解槽的改进，实现了电解水制氢效率的提升。通过电化学沉积法制备了NiFe/NF、NiMo/NF、NiW/NF和NiCr/NF合金电极，同时比较了制氢活性和降低能耗的性能。实验结果中，在200 mA/cm2和600 mA/cm2的电流密度下，NiMo/NF合金电极展现出最低的制氢能耗，分别为4.085 kWh/m3H2和4.982 kWh/m3H2，相较于其他电极平均降低了0.391 kWh/m3H2和0.477 kWh/m3H2。结果表明，NiMo/NF合金电极在电解水制氢过程中具有最优的析氢活性和能耗表现。研究虽然通过改进碱性电解槽得到了耗能低且具备最优析氢活性的电极，但仍存在一定的不足。碱性电解槽在波动的工况下可能存在动态调节性差，未来应该对电解槽进行更好的改进使其能够适应可再生能源的不稳定功率输出，以此提高其动态调节能力。

参考文献

　　[1]刘明昊，解辉，张振扬.制氢用碱性水电解槽隔膜材料研究进展[J].化工新型材料，2023（2）：561-564.

　　[2]刘洋，邱殿凯，彭林法，等.电解制氢设备性能优化及流道设计[J].机械设计与研究，2023，39（5）：142-146.

　　[3]张丝钰，张宁，代红才，等.可再生能源电解水制氢系统规划优化与生产模拟[J].中国电力，2024，57（4）：52-60.