以色列海法理工學院(Technion)的研究人員開發了一種創新、環保、成本低廉且安全的製氫技術。該技術顯著提高了製氫效率，將製氫效率從現有的75％提升到前所未有的98.7％。研究人員的成果已於近日發表在《自然能源》。

研究人員開發一種基於水電解循環的獨特過程讓陽極(即發生氧化的電極)的化學組成發生間歇性的改變。在新式過程中的第一階段，陰極(即發生還原的電極)通過還原水分子產生氫，而陽極因化學組成的改變並不會產生氧。第二階段時，陰極處於被動狀態，而陽極則通過氧化水分子產生氧。在第二階段結束時，陽極會返回其原始狀態，水解的循環便繼續開始下一個週期。這個創新的方式稱為E-TAC水解，全名為電化學–熱活化之化學水解(Electrochemical – Thermally-Activated Chemical water splitting)，能解耦氫氧的耦合反應。在學術上驗證這項新式技術之後，研究人員成立了新創公司H2Pro，致力將此技術商業化。

這項技術的研究是海法理工學院能源計劃(Nancy and Stephen Grand Technion Energy Program, GTEP)的一部分，參與的研究人員有材料科學暨工程系的Avner Rothschild教授、化工系的Gideon Grader教授、Hen Dotan博士以及Rothschild教授和Grader教授兩人共同指導的博士生Avigail Landman。

全球氫的年產量約為6500萬噸，折合商業價值約為1300億美元。這些氫所能提供的總能源約為9艾焦，等同於每小時約2600兆瓦。全球製氫規模因應需求亦不斷成長，預計在未來的20年內會翻三倍。世界對氫能源的需求預計在2030年達到14艾焦，並在2040年達到28艾焦。

現今生產的氫約有53%是用於製作可進一步生產肥料和其他物質的氨、20%用於煉油廠、7%用於生產甲醇，剩下20%則為其他用途。在未來氫將會更廣泛的被應用，其中一些新的應用正處於高速發展階段，包括氫燃料電池電動汽車(FCEV)、氫作為再生能源儲能載體以便維持電網平衡或電轉氣(P2G)應用、工業與家用暖氣等。

再者今日的製氫方式約99％使用的是將化石燃料透過蒸氣重組(SMR)的方法。在這個重組過程中，每製作1噸的氫會排放約10噸的二氧化碳，導致世界人為二氧化碳量排放中有2%來自蒸氣重組製氫所產生的二氧化碳，而大氣中可觀的二氧化碳則會加劇全球暖化。因此我們迫切地需要更清潔與環保的製氫方式來取代舊有會排放二氧化碳的蒸氣重整法。

當前不會產生二氧化碳排放的環保替代製氫法主要是透過水的電解。這個過程的原理是將兩個電極(陰陽兩極)放置於鹼水或富含酸的水中以增加電導率。電流在兩極之間將水分子分解成它們的化學元素，在陰極附近產生氫，在陽極附近產生氧。整個過程在被隔成兩部分的密封環境中進行，一邊集氫，另一邊則集氧。

然而，水解這樣的環保製氫方式在技術上有諸多限制。其中一個就是顯著的能量損失，現有的水解製氫技術的製氫效率僅有75%，這意味的是高度的耗能。另一個挑戰則是和將電解池一隔成二的膜有關，這個膜對於一邊集氫，另一邊集氧至關重要，但它會將電解池中的壓力限制在10到30的大氣壓，而大多數氫應用所需的氫則是要好幾百大氣壓的壓縮氫。例如供電動車燃料電池使用的氫是700大氣壓的壓縮氫，也就是說水解過程集到的氫必須再借助大型且昂貴的壓縮機進行後續加工，這使得製氫作業更加複雜化，並導致額外系統安裝和維護的高額成本。另外，因為膜的緣故使得水解製氫設備的組裝不易也增加可觀的成本，並要顧及到膜的週期性維護及置換等相關成本。

與既有水解方式相比，新式E-TAC技術具有以下重要優勢：

氫氧解耦，也就是氫和氧的製造在時間順序上的絕對分離，使用E-TAC法製氧和製氫可在不同時間分開進行，這也意味著電解池中不再需要原本用於隔開陰陽極的膜。

不需膜的水解代表的是成本的大幅降低，因為膜除了造價昂貴又讓生產過程複雜之外，膜的正常運作需仰賴高純度的淨水來源及相關維護措施防止其結垢。新式的無膜水解也排除了原本使用膜但若膜破裂後因氫氧接觸所導致的潛在風險。再來，本文前面提到過膜的使用造成了製氫過程壓力的限制，理工大學的新式無膜技術使得在高壓下水解製氫成為可能，因此節省了先低壓產氫再加壓所需的高額成本。除此之外，在新式的方法中，氧的製造是由帶電的陽極與水之間自發性的化學反應產生的，也就是說新式方法在製氧階段不再需要電力。這樣一來，製氫的效能便能從既有的75%提升到98.7%。另外，E-TAC技術減低的不僅是營運成本，在設備成本上也能大幅降低。根據H2Pro的估計，使用E-TAC法的製氫設備成本將為既有設備的約一半。

水的電解是在兩百多年前被發明的技術，並在這些年間經歷了一連串不同的個別改良。海法理工大學研究團隊正在開發並推動的新式技術是水解技術的顛覆性革新，研究人員相信新式的方法將使製氫過程變得更便宜、環保及安全。他們亦認為新式製氫會在永續能源領域掀起一波革命，就像太陽能與風能一般。根據初步評估顯示，這項新式製氫方式在工業大量製氫上的成本將有望與傳統天然氣蒸氣重組法競爭，且不會排放對環境有害的二氧化碳。

此技術的開發者Gideon Grader教授、Avner Rothschild教授和Hen Dotan博士與Viber公司的創始人一同成立了H2Pro好讓這項無膜水解的新式技術商業化。H2Pro位於以色列凱薩利亞的工業園區，並有理工大學對此項技術商業化的獨家授權，公司迄今已募集到約500萬美元的資金，由韓國現代汽車主導。H2Pro有20多名員工，其中大多數是理工大學的畢業生。

本研究除了得到校方能源計劃(GTEP)的支持外，其他資助單位包括由Ed Satell家族資助的氮氫替代燃料研究計劃(NHAF)、Adelis基金會、以色列能源部，以及歐盟展望2020計畫。

資料來源：https://www.technion.ac.il/en/2019/09/fuel-of-the-future/