解耦水電解技術開啟綠氫新時代
氫氣是現代工業中不可或缺的關鍵化學原料，但目前多以化石燃料為主要來源，其製備過程會排放大量二氧化碳。若能以再生能源驅動水電解，產生的副產物將是氧氣而非二氧化碳，將成為實現潔淨氫製備的有效方案。進一步來說，若能達成工業規模的綠氫生產，將具備徹底改變全球對化石燃料依賴的潛力。
傳統水電解方法採用由離子交換膜分隔的兩個電極，將水分解為氫氣與氧氣。然而，該方法成本高昂、存在氫氣洩漏風險，且難以與具備功率波動劇烈特性的再生能源（如太陽能與風能）直接整合。相較之下，解耦水電解（Decoupled Water Electrolysis）技術可藉由時間或空間上進行分離氫氣與氧氣生成來克服這個難題，消除系統對膜的依賴性，透過氧化還原材料的離子吸收與釋放過程，來產生氧氣與氫氣。
近期刊登於《Nature Reviews Clean Technology》的綜述論文回顧了各種解耦水電解方法，首度提出將該方法擴展至工業規模生產綠色氫氣的可能性。該文章作者包括來自世界各地的領域權威：以色列理工學院（Technion – Israel Institute of Technology）材料科學與工程學院的 Avner Rothschild 教授與其團隊、還有來自蘇格蘭格拉斯哥大學（University of Glasgow）、丹麥工業大學（Technical University of Denmark）、德國太陽能系統研究所（Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE）、以及 H2Pro 公司的研究人員。
格拉斯哥大學的研究團隊2013 年首度提出以溶液相氧化還原媒介為基礎的解耦電解概念。此後他持續研究各種液相系統的解耦電解，並正透過 Clyde Hydrogen Systems 公司來推動該技術商業化。2015 年以色列理工學院 Avner Rothschild 教授等人共同開發出一種基於鎳金屬的氧化還原電極技術，隨後催生出 2019 年成立的 H2Pro 公司。H2Pro 位居解耦水電解商業化最前線，其專利技術採用簡化的無膜設計，具備低成本與低資本投入等經濟優勢。目前，H2Pro 正積極推動該技術的規模化應用，且正在籌備全球首套解耦水電解系統，且具備搭載於太陽能與風能等間歇性再生能源等優勢。丹麥與德國的學者是電解槽技術領域專家，長期鑽研質子交換膜（PEM）、陰離子交換膜（AEM）、電極材料，以及大型 PEM/AEM電解槽堆疊應用等研究領域，為電解槽在商業規模化運行所面臨的挑戰扮演關鍵角色，同時也為解耦式與無膜電解槽概念奠定重要基礎。同時，H2Pro 公司則是從實務角度出發，將前述概念轉化為可實現大規模綠氫生產技術。
目前實驗室等級的解耦水電解平台每日產氫量不到一公克，距離工業化系統所需的每日產出約一公噸氫氣相差百萬倍。若想滿足今日全球氫氣需求，預估需部署約一百萬套全尺寸電解槽。且因傳統工業電解槽需仰賴穩定的電網供電，因此難以整合到太陽能或風能等系統。反觀解耦水電解則具備顯著優勢：其氧化還原材料可同時提供能量儲存功能，使整個系統如同內建電池的電解槽，能有效緩衝再生能源輸入的功率波動特性，因此可與太陽能、風能等間歇性再生能源高度相容，進一步實現低成本綠氫生產的可能性。若綠氫生產得以順利擴展，其潛在影響將極為深遠。目前全球氫氣市場年產值約為 2,500 億美元，而隨著大規模工業化生產實現，綠氫市場預計在十年內將成長至 5,500 億美元。
Rothschild 教授預測：「綠氫預計將占未來能源市場的一成。一旦能以大規模且合理的價格生產綠氫的話，氫氣將取代工業、重型運輸及其他領域中使用的大量能源。傳統電解槽也會持續進化來適應這一市場需求。正如達爾文所說，能存活的並非最強的物種，而是最能適應變化環境的那一種。我相信解耦水電解就是這樣的技術。」
其他參與合作的學者表示：解耦電解的歷史僅約 12 年。相較之下，傳統的鹼性與質子交換膜電解技術已發展數十年以上。依照目前發展軌跡，預期在未來十年，解耦水電解系統將成為傳統電解槽的強勁競爭者，尤其是在將再生能源轉換為綠氫的相關應用。
資料來源： https://www.technion.ac.il/en/blog/article/towards-green-hydrogen/
原始論文：https://doi.org/10.1038/s44359-025-00061-1
