摘要：电解槽是新兴的绿氢工业所需的关键技术，代表着重大的经济机遇。澳大利亚初创公司Hysata在其开发的毛细管供料电解槽（CFE）技术中实现了95%的系统运行效率，在性能和成本方面实现了巨大飞跃。
撰文 | Penn
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第289篇原创
氢是一种来源广泛、清洁无碳同时应用场景十分丰富的二次能源。
可再生能源电解水制氢是目前最洁净的制氢方法，其产生的绿氢被看作“深度脱碳尖兵”，将在难以减排部门的脱碳中发挥关键作用，也被业界视为氢能产业发展的终极方向。
电解槽则是新兴的绿氢工业所需的关键技术，因此代表着重大的经济机遇。高盛预计，到 2050 年，将需要 1.7 万亿美元的电解槽投资才能实现净零排放。
现有的电解水制氢技术主要分为4 种：碱性电解水制氢技术（AEL）、质子交换膜电解水制氢技术（PEM）、固体氧化物电解水制氢技术（SOEC）、阴离子交换膜电解水制氢技术（AEM）。目前已经实现商业化的是碱性电解水制氢和 PEM 电解水制氢。
始创于2021年的澳大利亚卧龙岗大学 (UOW) 衍生公司Hysata，在其开发的基于毛细管供料技术的全新类别电解槽（CFE）实现了95%的系统运行效率(41.5 kWh/kg)，远高于目前通常为 75%（52.5kWh/kg）或更低的氢电解槽效率，从而在性能和成本方面实现了巨大飞跃。
公司宣称，基于其卓越的效率，该技术将能够在2025左右提供“世界上成本最低的绿色氢”，从而使制氢成本远低于2 澳元/公斤（1.50 美元/公斤）。
Hysata公司的氢电解槽技术已逐渐在全球舞台上得到认可，其在今年3月的顶级科学期刊 Nature Communications 上发表了关于毛细管供料技术电解槽（CFE）的突破性研究。在8月2日，在全球知名投资者的支持下，Hysata完成了其超额认购的 4250 万澳元 A 轮融资。
01
毛细管供料电解槽的原理
Hysata的毛细管供料电解槽由卧龙岗大学ARC电子材料科学卓越中心（ACES）的化学催化和表征专家Gerry Swiegers教授领导团队开发。
传统的电解水制氢常常面临这样的瓶颈：电解水产生的氢气和氧气气泡附着在电极周围，阻止了电极与液体的接触，从而降低了电解效率。早期的电解槽的两个电极都淹没在电解液中，这样就会在它们周围均会形成气泡。在20世纪70年代，零间隙电解使阳极和阴极的一侧与分离膜接触，气泡只在每个电极另一侧形成从而提高了效率。而最近，聚合物电解质膜技术允许阴极一侧在没有电解质的情况下运行，这再次提高了效率。
受电解槽技术历史演变的启发，Hysata开发了一种毛细管供料电解 (CFE) 技术，该技术提供了无气泡的电解，使得水直接转化为大量气体而不在电解液中形成气泡，这样完全避免了电解液中电极周围气泡对效率的影响。
图说：电解槽技术的历史演变
来源：[7]
具体电解过程中，电解池底部的储液器使电解液不与电极接触，通过多孔亲水电极间隔膜中的自发毛细作用，储液器中的液体电解质不断地供应给电极，同时多孔亲水隔膜可维持水电解所需的流速。电极从隔膜横向吸入液体，并覆盖有一层薄薄的电解质。在电极之间施加足够的电压导致水的电解，水不断地通过自发毛细作用从储液器向上移动到隔膜来进行补充。由于产生的氢气和氧气很容易通过覆盖在各自电极上的液体电解质薄层迁移，因此提供了无气泡的电解。
02
毛细管供料电解槽的特点及挑战
毛细管供料电解 (CFE) 技术避免了气泡掩盖电极，它还确保了流向电极的水不会与离开电极的气流相抵消，从而避免了传统水电解槽中固有的多相流动及其相关的质量传输限制。由于减少了克服这种低效率所需的能量，毛细管供料实现了能源效率的显著提高。
图说：毛细管供料电解槽的运行原理
来源：Hysata
除了超高效率的电解，毛细管供料电解槽还提供了基于地球丰富材料的低成本设计，相较于依赖于贵金属的PEM，此技术大大降低了成本。
此外，毛细管供料电解槽提供了“对现有设计的逐步改进”，不仅在电解槽堆栈方面，而且在工厂和易于自动化和扩展的模块化制造方面实现了简化平衡，从而提供了对电网友好的设备，并能提供优化的交钥匙系统，从而实现了以最低的平准化成本提供高纯度绿色氢气。同时，Hysata毛细管供料电解槽以简单的单元操作为基础，易于自动化和扩展，并能基于模块化技术快速完成规模的扩展。
虽然，Hysata的毛细管供料电解 (CFE) 技术在实验室中极大地提高了电解制氢的效率，但是其从实验室走向商业化仍然面临着一些挑战。相关专业人士认为，如何在大面积内用毛细管均匀分配电解液, 并能确保带出热量,尤其要防止在大电流密度下生成局部过热点仍存在诸多挑战。此外，在实验室直径18cm的电解槽上, 采用一系列措施做到95%的超高效率电解是存在可能的，但在大规模生产中达到这一效率将会非常有挑战。
03
未来
据Hysata测算，使用 52.5kWh/kg 电解槽每年生产100万吨氢气的绿氢项目将需要在世界一流的位置使用 14GW 的风能和太阳能。而使用毛细管供料电解 (CFE) 技术以95% 的系统效率 (41.5 kWh/kg)运行，同样的开发商只需要 11GW 的可再生能源，这将节省约 30 亿美元的成本（假设可再生能源的平均资本成本为每 MW 100 万美元）。此项毛细管供料电解技术对于目前受制于高成本的绿氢行业无疑会带来强力的助推，促使其走向快速发展之路。
图说：Hysata 首席执行官 Paul Barrett和首席技术官 Gerry Swiegers卧龙岗工厂
来源：Hysata
作为 A 轮融资的领投者，澳大利亚政府拥有的清洁能源金融公司 (CEFC) 向Hysata投资了 1000 万澳元，其余的投资来自于丹麦风力涡轮机制造商维斯塔斯的投资部门维斯塔斯风险投资，英国清洁技术投资者 Kiko Ventures，澳大利亚知识产权商业化公司IP Group，澳大利亚养老基金 Hostplus 和澳大利亚钢铁生产商 BlueScope 的投资部门 BlueScopeX。在这些资金的支持下，Hysata团队将继续解决技术中的挑战并建立一个试点电解槽制造厂以期将其技术快速推向市场。
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参考资料：
[1]https://www.rechargenews.com/energy-transition/worlds-cheapest-green-hydrogen-start-up-with-ultra-efficient-electrolyser-to-develop-pilot-factory-after-securing-29m/2-1-1270403
[2]https://www.pv-magazine-india.com/2022/03/21/australian-electrolyzer-invention-enables-green-hydrogen-under-us1-5-kg-by-mid-2020s/
[3]https://hysata.com/technology/
[4]https://www.power-technology.com/features/mga-thermal-new-building-blocks-for-energy-storage/
[5]https://hysata.com/news/hysatas-series-a-funding-exceeds-40-million/
[6]https://www.pv-magazine.com/2022/08/02/hysata-brings-capillary-fed-eletrolyzer-tech-closer-to-commercial-production/
[7]https://www.nature.com/articles/s41467-022-28953-x
[8]https://www.crunchbase.com/organization/hysata
[9]https://www.greencarcongress.com/2022/03/20220321-hysata.html
[10]https://mp.weixin.qq.com/s/LE1phb10Wax_YTxtUkjAbA
