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氫能科普 | 國內外電解水制氫發展史

   2024-03-22 國際能源網/氫能匯56540
核心提示:我國電解槽最早的生產技術也是50年代初期從前蘇聯引進到北京電子管廠的常壓電解槽

1783年,法國物理學家夏爾鋰提出用硫酸和鐵作用制取氫氣。同年,拉瓦錫設計了成本低廉的水蒸氣通過灼紅的槍桶制取氫氣。

1800年,Nichoson和Carlisle首先以電解法提取了氫氣和氧氣。

Paets van Troostwijk和Deimann已經演示了用靜電發生器分解水。然而,只有在1800年Volta創造的第一個強大的電池,也就是伏打柱,才有可能以一種有針對性的方式使用電解。

1820年,法拉第在他1834年才發表的科學著作中,首次提到了電解水的原理。

1888年,俄國的拉奇諾夫取得第一臺單極性電解槽的專利。

二十世紀開始,德國的Garuti和Schuc Kert提出第一臺實用性的單極性電解槽的設計,德國的Schmidt-Oerikon 提出第一臺雙極性電解槽設計。

1900年,施密特發明了第一臺工業電解槽。僅僅兩年后,就有400臺電解設備投入使用,主要用于氨生產。由于對氨的高需求,電解在1920年至1930年間蓬勃發展。在加拿大和挪威建立了裝機容量為100兆瓦的工廠,主要使用水力發電作為動力源。

1924年,Noeggenrath獲得了第一臺壓力電解槽的專利,其壓力電解槽可達100 bar。

1925年,雷尼的發現對電解技術的進一步發展具有重要意義。他檢測了電極中催化劑的活性,并使用了細粒鎳。通過將金屬鎳和金屬硅結合起來,然后用氫氧化鈉浸出硅,它能夠創造一個巨大的活性催化劑表面。

1927年,世界第一臺大型壓濾式電解槽裝置在挪威的諾托登(Notodden)安裝,由海德魯公司(Norsk Hydro)制造,當時的產氫量規模是10000m3/h,生產的純氫用于化肥生產試驗,這是NEL Hydrogen的前身。這一技術到1965年發展到90000m3/h。

1927年,一項專利描述了鋁作為硅的替代品。鎳基電極仍然是堿性電解(AEL)的基本催化劑。

1939年,世界第一臺大型箱式電解槽在加拿大安裝,產量規模為17000m3/h;

1948年,E.A. Zdansky推出了第一臺高壓工業電解槽,他把電解槽的操作壓力提高到30kg/m3,并由Lurgi公司進行制造。。由于系統的效率受工作溫度的強烈影響,抗腐蝕材料被開發出來,并于1950年在120°C的AEL環境中成功地進行了測試。

1951年,Lurgi使用了Lonza的技術,并首次設計了30 bar的壓力電解槽(StatOilHydro)。

在Winsel和Justi于1954年提交了他們的Raney鎳專利后,Raney鎳在1957年被認可用于堿性電解槽(AEL)。

雷尼鎳被一種據說可以提高導電性和機械穩定性的金屬基體包圍著。新的Raney鎳催化劑降低了過電壓,并將工作溫度降低到80°C。

1958年,產氫量為5000Nm3/h的壓力電解槽在秘魯的庫斯科安裝。

1960年和1977年,埃及分別安裝了41000m3/h和21600m3/h壓濾式電解槽生產裝置。

1967年,Costa和Grimes提出了電極排列的零間隙幾何結構,目的是通過減小兩個電極之間的距離來降低電池電阻。

1962年,杜邦公司改良了質子膜,于20世紀80年代推出民用PEM氫氣發生器。

1988年,NEL在全球最早推出非石棉隔膜電解槽。

1996年以來,美國的Proton OnSite公司開始與聯合技術航空航天系統合作,為航空航天和海軍開發和制造質子交換膜電解槽,成為全球PEM電解槽行業的龍頭。

2001年,NHEL(NEL前身)的第一個加壓電解槽推出市場。

2017年,挪威Nel收購美國Proton OnSite獲取領先的PEM電解技術,成為世界上最大的電解槽公司;同年,康明斯完成收購Hydrogenics水吉能。

國內發展史

我國電解槽最早的生產技術也是50年代初期從前蘇聯引進到北京電子管廠的常壓電解槽,當時承接這一基礎制造的是東北地區的企業——哈爾濱聯合機械廠(行業內簡稱“哈機聯”),哈機聯推出的常壓電解槽DY-24、DY-75、DY-125等型號一度應用于我國工業生產特別是電子、化工廠。當時,廣州重型機械廠和上海重型機械廠參與了電解槽的技術“會戰”。

第二次技術引進的浪潮上世紀80年代,我國冶金行業和電子行業也在這一時期采購了一些進口的電解水設備,分別從德國和美國進口了一部分產品。

1965年,畢業于天津大學燃料化學工學專業的許俊明開始從事水電解制氧工藝研究及設備設計研制工作,任水電解制氧裝置課題組長,1976年-1978年,因為我國核潛艇員需要呼吸氧氣,許俊明的課題組開發出中壓電解槽,并獲中國船舶工業公司科技進步三等獎、河北省科技進步二等獎、加壓水電解制氫(氧)系列產品已列入1990年國家級火炬項目計劃。

90年代初期,各階層對中國的市場經濟出現了較大的分歧,身處軍工企業的718所也不例外,所里電解槽業務的紅火同樣遭遇了分歧,有人質疑科研院所的定位,此時,正值鄧小平南巡,718副總工程師許俊明堅定走市場化路線,就在1992年的7月18日帶領18個中國電解槽工程師南下蘇州,在當時的地方官員張碧航(現在競立的董事長)支持下成立了蘇州蘇氫設備公司,后來改為蘇州競立。

1994年,因為從北方到蘇州的一些工程師不適應蘇州的氣候環境和文化環境,蘇氫一分為二,一部分人留在了蘇州,而另一部分人則跟隨許俊明返回北方,落地天津——成立天津市大陸制氫設備有限公司。

至此,由718所在1992年的7月18日18個工程師南下的“718大裂變“就形成了我國加壓堿性電解槽行業三足鼎立的格局。

進入90年代,加壓電解槽已經做到單槽100Nm3以上,電解槽規格覆蓋80Nm3,100Nm3、120Nm3、125Nm3、200Nm3,至此,第一批蘇聯引進的常壓電解槽企業基本上已經退出市場,進口設備也基本上被國產設備所替代。

1984年,由電子工業部第十研究院編著的《氫氣生產與純化》一書中提到了多種制氫方法,其中電解水重點介紹了堿性電解槽,也提到了與PEM燃料電池逆反應的固體聚合物電解質電解槽(SPE)。

濟南市化工院的劉青藍教授自1988年開始研究PEM電解水技術,并在濟南設立了公司探索產業化,不過,直到劉教授夫婦到退休年齡他們經營的PEM電解設備也沒有盈利。

1992年,我國制造的加壓電解槽開始通過包鋼、杭氧等企業在蘇州推出成套出口,我國加壓電解槽設備走向了國際市場。

2007年,在地方政府的推薦下,當地醫藥器械公司賽克賽斯接手該項技術,并已經開發了四代該技術的氫氣發生器產品,公司產品在行業中獲得了BCEIA金獎,歐洲CE認證,出口美國,英國,韓國,日本等20多個國家,目前PEM電解槽已經升級到MW級能源產品。

2018年12月,賽克賽斯首臺兆瓦級50m3/h大型純水電解制氫設備中標佛山市藍箭電子股份有限公司項目,進入半導體行業;2020年9月,公司承擔的國家重點研發計劃重點專項“MW級固體聚合物電解質電解水制氫技術”項目完成中期驗收,2021年6月首臺套兆瓦級PEM制氫系統開機運行。

2021年,大連物化所與陽光電源合作聯合開發250kW(50標方)PEM電解槽,目前,該項目已經開始在鄂爾多斯市伊金霍洛旗展開示范應用。

2021年12月9日,由中國石化資本公司發起設立的恩澤基金與康明斯按50:50比例共同出資并于中國境內設立合資公司——康明斯恩澤(廣東)氫能源科技有限公司。合資公司將康明斯領先的質子交換膜(PEM)電解水制氫技術在中國進行本地化生產。

 
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