电解槽发展史

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分类：行业动态
发布时间：2021-11-02
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电解槽使用已流行两个多世纪了。虽然基本技术保持不变（如下图所示），但不同的趋势影响了电解槽的发展，大致分为五个阶段。

第 1 阶段（1800-1950）：

电解槽主要用于水电（低成本发电）制氨。到 1900 年，已有400多个工业电解槽在运行（Santos、Sequeira和 Figueiredo，2013）。基于该目的的电解槽也在挪威、秘鲁、津巴布韦和埃及有所应用。碱性电解槽当时是唯一使用的技术。电解槽在大气压力下使用浓腐蚀性的碱性溶液（如氢氧化钾[KOH]）操作，使用石棉作为气体隔层（称为隔膜）。石棉会对健康造成巨大危害，但这一点直到 20 世纪末才为人所知，所以此后开始使用其他材料取代石棉（如 ZIRFON ®）。虽然最初没有更好的替代品，但从本世纪中叶开始，复合氧化锆（ZrO2）隔离层已成为趋势。在这一代末期，1948 年 Lonza （以及后来的 IHT）首先引入加压碱性电解槽系统。电解液也用于生产氯气，这一过程使用相同的电化学原理，但使用高浓缩氯化钠溶于水中作为原料，并产生氢气作为副产物。这是 19 世纪初兴起的电解的重要应用场景。

第 2 阶段（1950-1980）：

电解槽在上一阶段的最后几年实现了高分子化学突破，标志着第 2 阶段的开始。1940 年，Dupont 发现了一种热稳定性和机械稳定性极好的材料，这种材料也具有离子特性（指具有良好的质子通过性）。这种材料是 PEM电解槽的基础。PEM电池可简单注入纯水，而不是碱性系统中的苛性溶液，这大大降低了系统的复杂性和碳足迹，提高了效率和功率密度。通用电气是开发 PEM 电解槽的先驱公司之一，随后美国 Hamilton Sundstrand 和德国西门子和 ABB 加入了 PEM 电解槽开发行列。PEM 电解槽的部署和学习活动主要是由宇宙飞船项目（如双子星座号）和潜艇军事生命支持系统等需求掀起的。

第 3阶段（1980-2010）：

随着太空竞赛的结束，必须为 PEM电解槽寻找其他商业机会。这需要极大简化设计，降低成本，并将电堆规模提高到几百千瓦。这些改变带来的结果包括提高了系统效率，降低了资本成本，以及寿命超过了 5 万小时。而碱性电解槽方面，与水力发电设备结合的大容量机组必须重新设计成体积更小的加压电堆，以便引入至氢气需求不高的应用场景中。

第 4 阶段（2010-2020）：

本阶段产生了三大趋势。第一，光伏和风能装机容量在这段时期分别增长了 14 倍和 3 倍，光伏发电、陆上风电和海上风电的成本分别下降了 82%、47%和 39%（IRENA，2020a）。这使绿氢的主要成本因素（即电力）大幅下降，提高了绿氢的商业化进程。第二，气候变化在政治议程中的地位愈发重要。这为除发电以外的行业脱碳提供了支持。第三，先进电解槽电堆的产能不断增加，降低了电解槽的资本支出（CAPEX），从而促使绿氢提上能源政策议程。

第 5 阶段（2020 年后）：

预计这一时期电解槽将从小众市场走向主流市场，从兆瓦级提高至吉瓦级规模，可能性逐渐变为现实。该阶段目标包括降低成本（< 200 美元/kW）、提高寿命（＞5 万小时）和提高效率（接近 80% ，LHV）。但这一目标的实施需要规模经济、提高产能和通过研究实现技术突破。

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