科普 | 电解水制氢实际过程中的电压损耗

发布时间：2026-03-13 10:03:10

一、电解水制氢概述

水电解制氢是燃料电池中氢气和氧气进行氧化—还原反应的逆反应。水电解过程是在阴极上发生还原反应析出氢气，在阳极上发生氧化反应析出氧气的过程。

二、电解槽的构成与工作原理

2.1 电解槽结构

电解槽是电解水制氢的关键设备。常见的碱性水溶液电解制氢电解槽由以下部分组成：

- 一对浸没在电解液中的电极

- 电极两端防止气体渗透的隔膜

当电极通以一定电压的直流电时，水发生分解，分别在阴极产生氢气，阳极产生氧气。

2.2 导电原理水溶液的导电是由于溶液中带电的离子在电场中移动的结果，其电导率（电阻率的倒数）大小与溶液中的离子浓度有关。

注意：纯水是很弱的电解质，导电能力很差。因此通常需要加入一些强电解质（如KOH或NaOH），以增加溶液的导电能力，使水能够顺利电解为氢气和氧气。

三、反应机理说明

碱电解液常用KOH或NaOH溶液。水分子放电析出氢气及OH⁻离子。Na⁺或K⁺离子在电解液的浓度下，其析出电位要比氢析出电位负得多，因此阴极上H⁺先放电，析出氢气；在阳极上因为没有别的负离子存在，因此OH⁻离子先放电析出氧气。化学计量关系：1摩尔水电解得到1摩尔氢气和0.5摩尔氧气。

四、理论分解电压

基本概念

水的理论分解电压是指假定水在可逆条件下进行电解所需的电压，它等于氢、氧原电池的可逆电动势E_0。理论分解电压是不计及任何损耗的最小电压，由水分解时必须向水电解池供给的最小电能所决定。

此电能相当于水分解时的Gibbs自由能的变化，可用化学热力学方程进行计算。

五、实际分解电压

实际电压的构成

实际上，由于氢气和氧气在反应过程中的过电位、电解液电阻及其他电阻因素，实际需要的电压比理论值高。

实际的过电压在1.65～2.2V之间。过电压产生的能量损失使得制氢成本进一步提高。

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