创新的氢气生产方法：使用AlCl3的氯碱工艺

《International Journal of Hydrogen Energy》：Innovative hydrogen production: Chlor-alkali process with AlCl3

电解铝氯化物溶液制氢的可行性及优化研究。实验采用Nafion 212膜分隔阴阳极，在5.0、7.5、10.0 V及20、45°C条件下考察AlCl3水溶液电解产氢特性。结果表明：45°C和10 V时氢产率达3.49 mL/min，显示温度与电压提升显著促进产氢；但稀释效应导致电解质密度下降，电极腐蚀加速氯气生成，制约氢气效率。研究填补了AlCl3体系在氯碱电解中应用的研究空白。

　　

Serdal Damarseckin

锡尔纳克大学，工程学院，能源系统工程系，可再生能源系统工程部门，锡尔纳克，73000，土耳其

摘要

本研究探讨了通过电解氯化铝水溶液在电解池中产生氢气的电化学过程。实验装置配备了Nafion 212膜，用于物理分离阳极和阴极区域。阳极室持续供应AlCl₃溶液，而阴极室则持续流入纯水。实验在三种不同的电压（5.0、7.5和10.0伏）和两种不同的温度条件（20°C和45°C）下进行，电解液流入反应器的流速保持在0.3克/秒。由于水的引入导致电解液密度降低，这 negatively 影响了电流流动和氢气的产生。调整AlCl₃电解液的流速对电流和气体产量的影响很小。此外，氯气的腐蚀性加速了碳电极的损坏，进一步阻碍了氢气的生产。实验结果表明，氢气的产量范围从最低的0.29毫升/分钟（20°C，5伏）到最高的3.49毫升/分钟（45°C，10伏）。这表明，尽管存在电极侵蚀和反应器限制等挑战，更高的温度和电压显著提高了氢气的产量。

引言

全球人口的增长和经济活动的增加极大地提升了能源需求，历史上这些需求主要通过化石燃料来满足[1]。然而，化石燃料的广泛使用加剧了温室气体排放和气候变化。为此，1.5°C的减排目标要求到2050年化石燃料的使用量减少63%，同时可再生能源的使用比例预计将从16%增加到77%[2]。

氢气作为一种关键解决方案脱颖而出，因为它具有较高的比能量密度（119.9 MJ/kg）、无碳燃烧特性，并在能源、石化、化肥和燃料电池等领域有广泛的应用[3][4][5][6]。目前全球氢气的需求量已超过9000万吨/年，但其中约95%仍依赖于排放密集型的煤炭气化和蒸汽甲烷重整工艺[7]。这些方法的成本仍然具有竞争力（0.5–1.7美元/千克H₂），尽管碳捕获技术会略微增加成本[7]。相比之下，到2050年，可再生氢气的成本预计将降至约1–1.3美元/千克，使其与化石燃料基工艺的成本相当[8][9][10]。将氢气与风能、太阳能、地热能、水力能和海洋热能等可再生能源技术相结合，进一步增强了其在实现净零排放中的作用[11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21]。

氯碱工艺是工业氢气生产的基石，所产生的氢气可用于质子交换膜（PEM）燃料电池等多种应用[22][23][24]。除了氢气外，电解盐水溶液还可以生成氯气和氢氧化钠[25][26][27][28]。由于其高效率和较低的环境影响，这种工艺越来越受到青睐[9,10,29]。基于膜的系统使用全氟化阳离子交换膜，既能减少能量损失又能保证产品纯度[30]。到2004年，全球氯碱工厂的年氯气产量达到了约4800万吨[31]，其中超过500家公司主要采用隔膜（62%）、膜（28%）和汞（10%）技术[32]。当前的研究重点在于工艺优化，包括参数控制[33]、先进阴极材料的开发[34,35]以及杂质管理和盐水净化技术的改进[36][37][38][39][40][41]。电极的耐用性和材料设计仍然至关重要，有研究报道使用贵金属或氟聚合物基系统可以延长电极寿命[37,42]。

尽管由于成本和效率的原因，氯碱工艺通常使用氯化钠（NaCl），但其他盐类如氯化钾（KCl）和氯化钙（CaCl₂）也被研究用于氢气生产，并有评估它们在氯碱系统中可行性的研究[43]。除了氢气和氯气，这些工艺还能产生氢氧化钠、氢氧化钙和氢氧化钾等物质。还有一些研究探索了使用氯化锌（ZnCl₂）作为电解液进行电化学氢气生产的方法。例如，在一项研究中，使用Nafion 212膜分隔阳极和阴极室的反应器在恒定电解液流速（0.3克/秒）下运行，实验在20°C和45°C的温度下进行。结果显示，当向阴极室添加蒸馏水时，随着电解液密度的降低，氢气产量减少；在45°C和10伏的条件下，最大氢气产量为4.97毫升/分钟[28]。

虽然NaCl因其经济性和效率而通常被优先选择，但使用氯化铝（AlCl₃作为电解液可以生成基于铝的产品，而不仅仅是基于钠的产品。铝因其轻质、耐用性、耐腐蚀性和高导电性而在多个行业得到广泛应用，包括交通运输、建筑、电子、包装、国防和能源领域。尽管已有大量关于使用NaCl基电解法生产氢气的综合研究，但使用AlCl₃作为电解液的文献研究相对较少。因此，本研究旨在探讨使用AlCl₃进行氯碱电解生产氢气的可行性，并通过优化相关参数来填补这一知识空白。

尽管NaCl仍是传统的原料，但KCl、CaCl₂和ZnCl₂等替代品也被研究用于氢气生产[28][31][32][33][34][43]。然而，尽管铝作为一种轻质、导电和耐腐蚀的材料具有重要的工业价值[37][39][40][41][42]，AlCl₃受到的关注仍然有限。这一差距突显了AlCl₃作为氯碱电解替代电解液的潜力。本研究在受控的电压和温度条件下，通过AlCl₃基盐水电解来研究氢气的生产，重点关注氢气生成效率和电极稳定性。虽然观察到碳电极表面磨损和变色现象，但由于预算和实验室条件的限制，无法进行先进的表征技术（如SEM、XPS）。因此，本研究主要依靠观察证据来讨论电极的退化情况，并明确指出了这一局限性。通过同时考虑氢气产量和电极行为，本研究扩展了氯碱电解的应用范围，为AlCl₃基系统的可行性提供了新的见解。

系统描述

系统描述

图1展示了实验配置中使用的膜电池氯碱反应器的示意图。该装置包含多个相互连接的组件，每个组件都在支持整个过程中发挥着关键作用。该配置的核心是氯碱反应器，这是一种专门设计用于促进盐水电解的设备，可产生氯气、氢氧化钠和氢气。围绕反应器布置了各种容器，用于

系统分析

实验过程中某些参数略有变化，但这些变化不影响实验结果的合理性。实验中大气压力设定为103.3千帕，环境温度保持在25°C。实验装置中的热损失和连接电缆上的电压降被视为可以忽略不计。假设流体流动为层流状态，并且所有过程都处于稳态条件。

结果与讨论

实验中，使用蠕动泵以恒定的质量流量向反应器供应1摩尔/升的AlCl₃溶液。氢气的产量在室温（25°C）和大气压力下通过量筒进行体积测量。氢气和氯气的体积通过量筒的体积排量法确定，然后利用理想气体定律将测量体积转换为质量。

该实验装置的设计符合

结论

本研究使用氯化铝（AlCl₃）水溶液作为电解液，在不同的电压（5伏、7.5伏和10伏）和温度（20°C和45°C）条件下，研究了基于膜技术的氯碱反应器中的氢气生成情况。结果清楚地表明，更高的温度和电压显著提高了氢气产量、电流密度和整体能源效率。在45°C和10伏的条件下，最高效率达到了6.03%。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。