水电解制氢是实现绿氢生产的关键技术，目前国内通过添加电解质溶液电解水制氢是主流制氢技术路线，电解质溶液不仅影响制氢效率，还直接关系设备寿命、能耗和成本。本文从原理、材料、工业实践到前沿技术，系统解析水电解质溶液的科学逻辑与技术细节。          

 一、电解质溶液的核心作用与导电机理    

功能定位        

提供离子导电介质，完成水的电化学分解反应：

图1 水的电解试验中水在加入电解液通电的条件下分解成了氢气和氧气

导电机制

强电解质电离：以KOH为例在KOH水中完全解离为K⁺和OH⁻，形成高浓度离子流。

离子迁移路径：

阴极区：H₂O分子结合电子生成H₂和OH⁻          

阳极区：OH⁻失去电子生成O₂

图1  碱性电解水制氢原理

二、电解质溶液类型与材料特性对比 

不同电解液的电导率与适用性差异显著：盐类因电导率低于酸、碱而无法用于工业电解；酸类（如硫酸）虽具备高电导率（如30% H₂SO₄约0.8 S/cm）、低成本及易分离气体的优势，但其强腐蚀性会严重破坏电解槽结构，故工业场景中仅限实验室研究；相比之下，碱性电解液（如30% NaOH电导率0.45 S/cm、30% KOH电导率0.6 S/cm）不仅导电性能优异，还能通过钝化作用在铁、镍电极表面形成保护层（如Fe_₃O_₄），显著抑制腐蚀。

表1不同电解液类型对比

因此，目前生产中一般采用碱液作为电解液，常用的碱液有氢氧化钠和氢氧化钾两种。           

氢氧化钠俗名烧碱，是最重要且常用的强碱。氢氧化钾也是很重要且常用的碱，它的工业制法、性质和用途都与氢氧化钠相似。因为天然的钾盐较少，所以氢氧化钾的价格比氢氧化钠高。           

表2 氢氧化钠（NaOH）与氢氧化钾（KOH）的工业参数对比

KOH溶液在同等浓度下电导率比NaOH高约20%，可降低欧姆损耗，节省约8%~12%电能。

氢氧化钾的导电性比氢氧化钠好，虽然它的价格较高，一次性投资大，但从节能和总体效益来看，使用氢氧化钾比使用氢氧化的要经济，设备腐蚀加重问题也不明显，所以，现在普遍用氢氧化钾作电解液。

   表3   30%KOH与30%NaOH 电导率对比

四、工业应用中的关键问题与解决方案    

电解质溶液老化

现象：电导率下降（每年约2%~5%）、杂质积累

对策：

l定期补加新鲜溶液（每年更换15%~20%）

l安装在线电导率监测仪（阈值报警）

温度失控

风险区间：<60℃（电导率骤降）或>100℃（腐蚀加速）。

控温方案：

l板式换热器维持70~90℃（ΔT<5℃）；

l钛合金耐蚀材料+闭环冷却水循环。

气体夹带碱雾    

影响与危害：

氢气纯度下降至99.5%以下（工业标准要求≥99.99%）,碱液雾滴沉积在管道中结晶，堵塞阀门与传感器。

对策:

l多级旋风分离器：          
利用离心力分离粒径>10 μm的液滴（去除率>95%），设计流速15~20 m/s，压损<5 kPa。

l陶瓷膜过滤器：          
采用α-氧化铝多孔膜（孔径0.1 μm，耐碱温度<120℃），实现最终氢气纯度≥99.999%，压差控制在10~15 kPa。    

l自动排液系统：          
分离后的碱液通过电磁阀定时排放至回收罐，经净化后重新注入电解槽。

五、前沿技术突破    

复合电解质溶液体系         

NaOH-KOH混合液：在30% KOH中添加5% NaOH，电导率提升10%且成本降低18%。

纳米添加剂：加入Al₂O₃纳米颗粒（0.1wt%），降低析氢过电位50mV。

再生电解质溶液技术

废碱液回收：通过电解再生装置（如EDR电渗析），回收率>90%。

六、未来发展方向    

超浓电解质溶液         

开发40%~50% KOH溶液（需解决黏度高、传质慢问题），目标电流密度突破6000A/m²。

智能电解质溶液系统           

集成pH/电导率/温度传感器，AI动态调节浓度与流量。

生物基电解质溶液           

探索植物提取碱（如海藻生物碱），降低环境足迹。

结语    

水电解质溶液作为制氢技术的“血液”，其优化是提升效率、降低成本的核心突破口。从传统碱性体系到固态电解质，技术创新持续推动行业变革。未来，随着材料科学与工程技术的深度融合，电解质溶液将向更高性能、更低能耗、更强可持续性方向迈进，为氢能社会奠定坚实基础。