解耦水電解！為工業規模的綠色制氫鋪平道路

《自然評論清潔技術》（Nature Reviews Clean Technology）最近的一篇綜述首次提出了擴大解耦水電解（DWE）技術以生產工業規模綠色氫的途徑。

氫是一種關鍵的化學原料，通常由化石燃料產生，產生大量的二氧化碳排放。由可再生能源驅動的水電解釋放的是氧氣而不是二氧化碳，提供了一種清潔的替代方案。工業規模的綠色氫生產是能源轉型的圣杯之一，因為它將釋放出取代世界對化石燃料依賴的潛力。

傳統的電解使用由膜隔開的兩個電極將水分解成氫和氧。這種方法價格昂貴，有內部氫氣泄漏的問題，而且與間歇性的太陽能和風能不相容。

解耦水電解（DWE）通過在時間或空間上分離氫氣和氧氣的生產來克服這些問題，從而消除了對膜的需求。相反，它使用氧化還原材料，可以吸收和釋放產生氧或氫的離子。

本文回顧了不同的DWE方法，并首次提出了可行的擴大途徑。作者包括來自世界各地的頂尖專家：以色列理工大學材料科學與工程學院的Avner Rothschild教授、格拉斯哥大學的Mark D. Symes教授、丹麥技術大學的Jens Oluf Jensen教授、德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所ISE的Tom Smolinka博士、H2Pro公司的Rotem Arad和Gilad Yogev博士、以色列理工大學博士后Dr. Guilin Ruan和格拉斯哥大學的博士生Fiona Todman。

2013年，格拉斯哥大學的Mark Symes教授和他的合作者率先使用溶液相氧化還原介質實現了解耦電解。他一直致力于使用各種液體系統進行解耦電解，并通過Clyde Hydrogen systems公司積極嘗試將這項技術商業化。

2015年，Avner Rothschild教授與以色列理工學院的同事Gideon Grader教授、Hen Dotan博士和Avigail Landman博士共同開創了一項使用鎳基氧化還原電極的新技術。他們的突破促使H2Pro在2019年成立。

Jens Oluf Jensen教授和Tom Smolinka博士是世界知名的電解槽技術專家。他們在質子交換膜（PEM）、陰離子交換膜（AEM）、電極材料方面的工作，以及他們在大容量PEM和AEM電解槽電池堆中的應用，為商業電解槽的放大和運行挑戰提供了有價值的見解，并為比較破壞性解耦和無膜電解槽概念奠定了良好的基礎。Rotem Arad和Gilad Yogev提供了將這些概念轉化為大規模綠色制氫技術的見解。

本綜述首次詳細介紹了DWE的可行擴大戰略。雖然實驗室規模的DWE實驗每天產生的氫還不到1克，但工業系統每天必須產生大約1噸——比這多100萬倍。

事實上，要滿足目前的氫需求，需要大約一百萬個完整的電解槽。另一方面，傳統的工業電解槽需要穩定的電網供應，只能在有限的范圍內使用，如太陽能和風能引起的高度動態的功率波動。

DWE的獨特優勢在于其通過氧化還原材料儲存能量的能力，就像內置電池的電解槽一樣。這使得它可以緩沖來自可再生能源的能量波動，使其與太陽能和風能系統高度兼容，從而為低成本、綠色可再生氫生產提供了一條關鍵途徑。

擴大綠色氫氣生產的潛在影響是巨大的。目前，氫市場每年的價值約為2500億美元。一旦達到工業規模，綠色氫的市場預計將在十年內達到5500億美元。

Rothschild教授預測說：“綠色氫預計將占未來能源市場的10%。一旦大規模生產綠色氫并以合理的價格出售成為可能，氫將取代工業、重型運輸和其他行業使用的大部分能源。傳統的電解槽應該進化以適應這個市場，正如達爾文所指出的，它不是最強大的物種，而是最能夠適應和調整它所處的不斷變化的環境的物種。我相信DWE就是如此?！?/p>

Symes教授闡述道：“解耦電解只有大約12年的歷史。更傳統的技術，如堿性和質子交換膜細胞，已經發展了幾十年。這為開始出現的一些新的解耦系統的擴展速度提供了一些背景。按照目前的發展軌跡，我預計未來十年，解耦電解系統將成為傳統電解槽的有力競爭對手，特別是在將可再生能源轉化為綠色氫方面?！?/p>

該評論文章中提出的新想法令人信服，并闡明了擴大DWE技術以造福全人類的長期前景。