科普 | 水電解槽的法拉第效率

法拉第效率是衡量水電解槽中電流利用效率的關(guān)鍵指標(biāo)，用于評估電解過程中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的有效性。在實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)電極界面的法拉第效率可以獨(dú)立測定，從而精準(zhǔn)分析電解槽的運(yùn)行狀態(tài)。

法拉第效率的定義與計(jì)算

在水電解槽中，陽極（氧析出）和陰極（氫析出）的電流效率分別通過氣體產(chǎn)率與理論產(chǎn)率的比值計(jì)算。具體公式如下：

理想情況下，法拉第效率應(yīng)接近100%，表明電能幾乎全部用于水的電解反應(yīng)。

氣體交叉與效率損失

在實(shí)際運(yùn)行中，氫氣和氧氣會(huì)在電解液中溶解并可能發(fā)生交叉擴(kuò)散，導(dǎo)致非理想的法拉第效率。這種交叉擴(kuò)散可能引發(fā)以下副反應(yīng)：

1. 陽極室：擴(kuò)散至陽極的氫氣可能與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或在陽極被電化學(xué)氧化，消耗額外電能。

2. 陰極室：擴(kuò)散至陰極的氧氣可能與氫氣反應(yīng)，或被陰極還原，同樣降低電流效率。

這些副反應(yīng)等效于引入了“寄生電流”，使得部分電能未用于目標(biāo)產(chǎn)物的生成，而是以熱能形式耗散，從而降低整體效率。

隔板材料的作用與挑戰(zhàn)

為抑制氣體交叉，電解槽需采用隔板（隔膜或膜）將氫氣和氧氣分離。不同電解槽技術(shù)的隔板材料差異顯著：

- 堿性水電解槽：傳統(tǒng)使用石棉隔膜（因安全原因已淘汰），現(xiàn)被聚合物材料取代。

- PEM電解槽：采用全氟磺酸聚合物膜（如Nafion），兼具質(zhì)子傳導(dǎo)性和氣體阻隔性。

- 高溫水電解槽：使用致密的氧化物離子導(dǎo)電陶瓷（如YSZ），幾乎無氣體滲透。

盡管隔板設(shè)計(jì)力求完全不透氣，但實(shí)際中氣體在電解液中的溶解度和隔板的微觀滲透性仍會(huì)導(dǎo)致微量交叉，尤其在高壓或高電流密度下更為顯著。

優(yōu)化方向與測量重要性

為提高電解槽性能，需通過實(shí)驗(yàn)手段精確測量法拉第效率，以量化氣體交叉導(dǎo)致的效率損失。這一數(shù)據(jù)是優(yōu)化隔板材料、電解液組成及操作條件（如壓力、溫度、電流密度）的基礎(chǔ)。例如，降低工作壓力或使用更致密的隔板可減少氣體滲透，而優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)則可減少副反應(yīng)的發(fā)生。

綜上所述，法拉第效率不僅是評估電解槽性能的核心參數(shù)，更是推動(dòng)技術(shù)迭代的關(guān)鍵指標(biāo)。通過深入理解氣體交叉機(jī)制并針對性改進(jìn)設(shè)計(jì)，可顯著提升水電解技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性。