电解水技术发展历程：从19世纪至今的五代演变
电解水技术发展历程：从19世纪至今的五代演变
水电解是一种利用电分离水生成氢和氧的电化学技术。一般来水电解系统由三个单元组成（见下图1）：
图1：在三个级别的水电解槽上发现的组件的例子：系统，堆栈和单元
电解槽是电解系统的心脏，是电化学过程的场所。普通电池由两个电极（阳极和阴极）组成，阳极和阴极浸泡在液体电解质中或靠近固体电解质膜，两个多孔传输层（PTL）促进反应物传输和产物去除，双极板（BP）提供机械支撑和流动分配。
电堆一般具有更广泛的用途，包括串联连接的多个单电池、相对电极之间的绝缘材料间隔、密封件、用于机械支撑的框架以及用于防止泄漏和收集液体的端板。
系统级通常包括冷却设备、氢气处理（如纯度和压缩）、电力输入转换（如变压器和整流器）、供水处理（如去离子）和气体输出（如氧气输出）。
利用循环泵或重力，将纯净水（或含有提高离子交换的作用的水溶液）引入系统。然后，电解质流经BP和PTL到达电极。根据下面公式：
水在电极上被分成氧气和氢气，离子（通常为H+或OH-）通过液态或固态膜电解质。当使用含有氢氧化钾等物质的电解质时，整个反应是相同的，但离子交换中有几个步骤没有在此显示（不同电解方式中间离子交换过程会有差异）。在分流电池设计中，存在于两个电极之间的薄膜或隔膜还负责将产生的气体（H2和O2）分开，并防止它们结合/混合。从几个世纪前威廉-尼科尔森和安东尼-卡莱尔发明水电解法开始，这一原理基本保持不变。
在室温下，前一个反应需要1.23V的理论热力学电池电压才能将水分离成氢和氧。然而，经实验确定，高效水分裂所需的电池电压为1.48V。额外的电压是克服电解质和电解槽电池组件的动能电阻和欧姆电阻所需的电压。
在室温下，上述反应需要1.23V的理论热力学电解池电压才能将水分解成氢和氧。然而，经实验确定高效水分解所需的电池电压为1.48V（热中型电压）。（0.25V的）附加电压是克服电解质和电解槽电池组件的动力学电阻和欧姆电阻所需的电压。在首次进行水电解两个世纪之后，电解水技术成为一项众所周知的生产绿氢的技术。然而，对于大量生产氢气来说，这仍然是一项成本效益不高的技术。然而，这种技术在生产大量氢气时仍不符合成本效益。自19世纪以来，水电解技术一直在工业应用中得到开发和使用。在这一演变过程中，不同的趋势影响了其发展，因此可将其分为五代。据国际可再生能源机构称，每一代水电解技术都会带来各自的挑战、突破和意义，如下图2所示：
图2：五代水电解发展
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！
最新科研进展：ENDURE项目
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：
- 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；
- 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；
- 利用固有的可扩展方法制造的新型无PGM高性能电催化剂；
- 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；
- 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。