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摘 要：电解是利用电能分解物质的方法，广泛应用于电镀和金属的精炼、燃料电池汽车中氢燃料的制备等，是工业领域中一项极为重要的技术。但是很少有人知道电解可以用于清洁的化学反应，而且对于今后实现循环型社会，有可能成为一种必要的技术。因此，本文将对利用电解的燃料电池和物质合成技术的现状以及电解相关技术对削减CO2和降低环境负荷的贡献进行阐述。
关键字：电解、电解机制、燃料电池、水电解制氢、物质合成技术、水电解装置
（图片来自网络）
所谓电解，是指在电解液上施加电压，在电极上发生氧化还原反应，从而分解化合物的方法。
例如，在图1对氯化铜（II）的电解中，将电极浸在氯化铜（II）溶于水形成的CuCl2水溶液中并施加电压，阴极处析出金属铜，阳极处生成氯气。
广为人知的水电解，是将添加有硫酸的水作为电解液，在铂电极上施加电压，就可以把水分解成氧和氢。
图1. 氯化铜（II）水溶液的电解
来源：学校法人放送大学“3. 电解”
电解在工业上被用于电镀等。所谓电镀，就是在材料表面镀上一层金属膜的技术。
通过电镀，能够赋予材料防锈等性能，与使用具有同等防锈性的其他金属相比，有助于节省资源和能源。特别是，使用电解方法的电镀与在熔融的金属中浸渍的熔融电镀相比，由于不需要在高温下熔化金属，所以节能能源，而且电镀的膜很薄，可以节约资源。
电解也用于从矿石中提取金属的冶炼，从冶炼的金属中除去杂质以提高纯度的精炼，以及铜的提纯和铝锭的制造等。
尤其是铝的熔点高达2054℃，所以高温熔炉的材质很难选择，实际生产中电解以外的方法难以制造。
在这一点上，利用电解的金属冶炼与精炼，从节约资源、节能、安全性、环保的角度来看都具有优点。
电解技术也被用于燃料电池汽车（FCV）和锅炉等搭载的以氢为燃料的燃料电池。
氢燃料电池应用了水电解的原理，通过电解的逆反应由氢和氧反应合成水从而制造电能。
与行驶中排放CO2的汽油等化石燃料不同，氢燃烧只排出水，不排出CO2，是一种清洁能源（图2）。
图2. 燃料电池原理
来源：经济产业省“Chemical Wondertown”
氢燃料电池作为汽车的动力源时，与需要充电的二次电池不同，只需填充氢气，这是其优点。但是目前主要从化石燃料中提取氢气，在制造氢气的过程中会排放CO2。
另一方面，通过水电解制造的氢气，由于需要昂贵的设备以及消耗大量电能等，面临高成本的课题。
实际上，现在从化石燃料中提取的氢的价格是20日元（约1.17元）/Nm3~40日元（约2.33元）/Nm3，而通过水电解制得的氢的价格大约是80日元（约4.66元）/Nm3~170日元（约9.91元）/ Nm3。
图3. 水电解制氢的成本
来源：一般财团法人日本能源经济研究所“关于利用可再生能源制造氢气的经济性分析”（2015）
另外，通过水电解制取的氢在价格上存在差异，从图3可以看出，电解装置的设备利用率和电力价格不同，导致制氢成本也不同。
例如，利用天然气的电解装置，电价为10日元（约0.58元）/kWh左右，价格低廉，设备利用率也能维持在较高的水平。与之相比，利用风能等可再生能源电力的电解装置，不仅电价格贵，设备利用率也会降低。
综上所述，目前水电解法制氢的价格竞争力低，很难作为主要的能源来源。
然而，欧洲视氢气为大容量的能源储存手段，仅在2014年到2020年期间就投入了13.3亿欧元，推进氢·燃料电池的技术开发与实证。
其中与水电解相关的项目包括：
采用大规模、最新的水电解技术从可再生能源中制备氢（绿氢）
炼铁过程中氢的应用
低成本、简易的制氢用水电解装置的研究开发
欧洲国家中，德国在采取与氢能相关的措施方面表现得尤为积极。
从2013年欧洲利用水电解技术制氢并利用氢发电开始，欧洲有约6成的实证项目在德国进行（图4）。
图4：欧洲Power-to-Gas实证项目（2016）
来源：国立研究开发法人新能源与产业技术综合开发机构（NEDO）“欧洲氢能相关研究开发等动向”（2019）
另一方面，日本也开始利用水电解制取氢气。
日本以扩大可再生能源氢的利用为目标，到2030年将水电解装置的成本从现在的20万日元（约1.17万元）/kW降低到5万日元（约0.29万元）/kW，水电解效率从5kWh/Nm3提升到4.3kWh/Nm3等。
为了实现这一目标，日本福岛县浪江町启动了大规模实证项目，利用20MW的太阳能发电和10MW的水电解装置制氢（图5）。
图5. 福岛县浪江町的大规模制氢实证项目
来源：经济产业省《关于今后氢政策探讨的推进方法》（2020）
就像氧和氢可以合成水一样，电解的原理也可以应用于物质合成。
其中，有机电解合成是利用电能的有机分子的合成法，用于制造尼龙、洗涤剂、食品添加剂的原材料等生活中不可缺少的各种物质。
除了可以削减传统有机分子合成所需的稀有金属催化剂、有毒药品、爆炸性试剂等，以及可以在常温、常压下合成，还可以通过电源的接通和切断控制合成过程。
但是存在合成速度慢、合成量少、能量转换效率低、需要添加电解质等问题。
另外，由于可以自由控制合成的开始和停止，利用剩余电力等可以实现清洁的有机合成。
既然有机电解合成过程需要电能，那么不难理解根据物质的不同，合成时也会产生能量。
实际上，在石油化工等领域进行的物质反应中，有时会放出热量，而这些热量全部被舍弃。
如果能像燃料电池一样，将热能转化为电能的话，将有可能实现巨大的能源回收。
电解的相关技术，在削减CO2排放、降低环境负荷以及应对化石燃料的枯竭等课题方面具有巨大的发展前景。
展望未来，今后有必要将通过剩余电力和太阳能电池等获得的可再生能源作为电解所需的电力来源。
由此，环境负荷大的运输产业等就有可能转变为清洁产业。
作为电解的应用技术，将物质转换时生成的能量进行回收的技术在能源的有效利用方面也很重要。
如上所述，电解有望成为支撑未来循环型社会的关键技术。
翻译：肖永红
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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