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五代水电解发展

[ 作者:钛业资讯 | 发布时间:2024-01-26 | 浏览:723

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第一代(1800-1950)电解槽主要用于生产氨。电解槽主要用于生产氨。唯一使用的技术是碱性电解槽,它在大气压力下运行,使用氢氧化钾(KOH)等浓腐蚀性碱性溶液,并使用石棉作为隔膜。石棉对健康有重大危害,直到二十世纪末,人们才发现石棉开始被其他诸如Zirfon® 等材料取代。尽管当时还没有钛可行的替代品,但到20世纪中期,复合氧化锆隔膜开始流行起来。1948 年,加压碱性电解槽系统首次出现在这一代的末期。另外同样的电化学原理也被用于生产氯气,它使用高浓度氯化钠溶液(盐水)作为原料,并产生氢气作为副产品。在 20 世纪初,这也是电解水的一项重要应用。

第二代(1950-1980 年)。聚合物化学的突破决定了这一代产品的诞生。20 世纪 60 年代末,E.I. Du Pont de Nemours & Company 公司(美国德克萨斯州威尔明顿市)发现了一种具有出色的热稳定性、机械稳定性和离子特性的材料,这意味着它具有良好的质子传输特性,这种材料被命名为 Nafion®。这是质子交换膜(PEM)电解槽的基础。质子交换膜电解槽可以很容易地用纯水而不是碱性系统中的腐蚀性溶液进水,从而大大降低了系统的复杂性和生态足迹,并提高了能源效率和功率密度。PEM 电解槽的部署和学习成长主要由航天器计划和潜艇中的军事生命支持应用推动 。

第三代(1980-2010 年)。太空竞赛结束后,必须探索 PEM电解槽应用的替代途径,以确定新的商业前景。这就需要大大简化设计、降低成本,并将电堆规模扩大到几百千瓦。这些变化既提高了系统效率,也降低了资本成本,并使其耐用性超过 50,000 小时。在碱性方面,与水力发电厂相连的大型装置必须重新设计,以采用更小的加压(力)电堆,从而将其引入氢气需求量较小的应用领域。第四代(2010-2020 年)。这一代有三个趋势。首先,太阳能和风能的装机容量增加,导致生产成本降低。这降低了(绿色)氢的主要成本——电力成本,从而改善了绿氢的商业可行性。其次,气候变化在政治议程中占据了中心位置。这增加了对能源以外行业脱碳化的支持。第三,先进的电解槽容量和产能增加,从而降低了电解的资本支出(CAPEX),使绿色氢能能够支持能源政策议程。

第五代(2020 年后)。在这一时期,电解技术有望从小众走向主流,从MW级走向GW级,从潜力走向现实。这一时期的目标是降低成本(<200 美元/千瓦)、提高耐用性(>50,000 小时)和提高生产效率(接近 80% LHV)。需要通过研究实现规模经济、提高制造能力和技术进步。

在这些突破中,根据电解液、操作条件和离子剂(OH-、H+和O2-)的不同,衍生了四种比较主流的不同的水电解技术,包括:(1)碱性水电解;(2)阴离子交换膜电解水;(3)质子交换膜水电解;(4)固体氧化物电解水。具体这几种技术的介绍这里不再赘述,《氢眼所见》公众号里面已经有大量的原理、以及发展情况的介绍!

另额外补充一个信息:

2024年1 月 9 日和 10 日,绿色氢能合作伙伴关系资助的研究与创新项目 ENDURE 在爱沙尼亚塔林启动。该项目是基于“碱性电解技术的进步”的主题,主要目标是提高电解槽的电流密度和稳定性,将碱性电解槽的性能和耐用性提高到一个新水平。更具体地说,该项目的目标是通过开发分层结构的流动工程整体多孔传输电极、改进堆栈的设计/材料以及加速测试程序,大幅降低碱性电池和堆栈的降解率并提高其效率。

项目技术协调人 Rainer Küngas(星际之门首席技术官)评论说:"碱性电解槽技术已经在工业领域应用了几十年,因此,人们普遍误认为碱性系统的性能已经达到了顶峰。ENDURE项目旨在证明碱性电解槽在性能和耐用性方面仍有很大潜力”。

在为期 3 年的 ENDURE 项目中,将开发出一种不含 PGM 的碱性电解槽堆,具有类似 PEM 的性能和较低的降解率。拟议的创新包括:

1)开发三维结构、横向分级、流动工程、整体多孔传输电极(PTE),与最先进的电池相比,极大地改善了电极动力学和质量传输;2)多层次计算流体动力学(CFD)建模与先进的 X 射线断层扫描技术相结合;3)利用固有的可扩展方法制造的新型无 PGM 高性能电催化剂;4)利用 100 平方厘米和 1000 平方厘米的堆栈平台进行堆栈级改进和性能验证,并与最先进的技术进行比较;

5)在联合研究中心(JRC)所做工作的基础上,为碱性水电解槽制定统一的测试协议和加速测试程序。