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氢能产业规模化发展的最大桎梏在于能效和经济性,尤其是电解水制氢技术已诞生200年却进步缓慢。与传统电解技术相比,以色列理工大学研究团队的E-TAC(电化学—热活化)水分解技术高效、经济且安全,可实现单位能量氢气产出提升30%,成本下降50%,并消除氢氧混合爆炸的风险。
(来源:微信公众号“拉瓦锡1787” ID:Hydrogen2050 作者:氢能首席观察员)
在传统的水电解中,水的氧化和还原反应在时间和时间上是耦合的——同时在电池中的阳极和阴极发生,这引发了后续诸如产品分离,并对材料选择和工艺条件设限严格等挑战,且能源效率仅有75%。以色列理工大学通过电化学—热活化水分解技术可以解耦此过程,并以98.7%的能量效率显著提升氢气的生产效率。该文章已发表在2019年9月的Nature Energy。
与电解类似,E-TAC使用电力将水分解为氢气和氧气。然而,与传统电解不同,氢和氧分别在不同相产生——电化学相和热活化化学相。该过程分为两个步骤:在电化学阶段,消耗电力产生氢气,与此同时,与镍氢电池相似的镍基阳极被“充电”;在热活化阶段,阳极被加热——自发地“释放”氧气。
E-TAC技术相对传统电解的显著优势:
氢和氧的生产在时间上是绝对分隔的,传统的膜不再是必需的,这将极大简化生产过程,消除爆炸性混合的风险,并有利于提升制氢压力,降低产业链后续压缩成本。
高效节能。相对传统电解技术,能量效率从75%提升至98.7%。
降低运营成本。E-TAC技术比现有电解技术节省30-50%成本。
E-TAC不需要昂贵的稀有金属,制造相对简单,资金成本低。该解决方案可提供更持久的耐用性以及整体更强大的系统,有望成为大规模生产绿色氢气的最有效方法之一。该研究由以色列理工大学材料科学与工程系的Avner Rothschild教授和化学工程学院的Gideon Grader教授牵头进行,并基于这项技术开设了一家初创公司进行孵化。
利用太阳能或者风能电解水是一种储能或者提供可持续供应的氢能来驱动燃料电池汽车的有效途径。氢气这种清洁能源大规模应用的巨大限制之一在于制氢的成本。2017年,该研究团队曾实现了PEC电池系统里的析氢和析氧部分的分离,解决了裂解水过程中氢氧共生的问题。设计的PEC结构中太阳能转换成氢气的效率可达7.5%,使用标准商业化部件则很容易突破10%。与商用光电化学体系相比,分离式PEC电池系统在制氢方面更加安全经济。
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