科普 | 水电解槽的法拉第效率

法拉第效率是衡量水电解槽中电流利用效率的关键指标，用于评估电解过程中电能转化为化学能的有效性。在实际应用中，每个电极界面的法拉第效率可以独立测定，从而精准分析电解槽的运行状态。

法拉第效率的定义与计算

在水电解槽中，阳极（氧析出）和阴极（氢析出）的电流效率分别通过气体产率与理论产率的比值计算。具体公式如下：

理想情况下，法拉第效率应接近100%，表明电能几乎全部用于水的电解反应。

气体交叉与效率损失

在实际运行中，氢气和氧气会在电解液中溶解并可能发生交叉扩散，导致非理想的法拉第效率。这种交叉扩散可能引发以下副反应：

1. 阳极室：扩散至阳极的氢气可能与氧气发生化学反应，或在阳极被电化学氧化，消耗额外电能。

2. 阴极室：扩散至阴极的氧气可能与氢气反应，或被阴极还原，同样降低电流效率。

这些副反应等效于引入了“寄生电流”，使得部分电能未用于目标产物的生成，而是以热能形式耗散，从而降低整体效率。

隔板材料的作用与挑战

为抑制气体交叉，电解槽需采用隔板（隔膜或膜）将氢气和氧气分离。不同电解槽技术的隔板材料差异显著：

- 碱性水电解槽：传统使用石棉隔膜（因安全原因已淘汰），现被聚合物材料取代。

- PEM电解槽：采用全氟磺酸聚合物膜（如Nafion），兼具质子传导性和气体阻隔性。

- 高温水电解槽：使用致密的氧化物离子导电陶瓷（如YSZ），几乎无气体渗透。

尽管隔板设计力求完全不透气，但实际中气体在电解液中的溶解度和隔板的微观渗透性仍会导致微量交叉，尤其在高压或高电流密度下更为显著。

优化方向与测量重要性

为提高电解槽性能，需通过实验手段精确测量法拉第效率，以量化气体交叉导致的效率损失。这一数据是优化隔板材料、电解液组成及操作条件（如压力、温度、电流密度）的基础。例如，降低工作压力或使用更致密的隔板可减少气体渗透，而优化电极结构则可减少副反应的发生。

综上所述，法拉第效率不仅是评估电解槽性能的核心参数，更是推动技术迭代的关键指标。通过深入理解气体交叉机制并针对性改进设计，可显著提升水电解技术的经济性与可持续性。