يمكن أن يساعد تعزيز طاقة الهيدروجين في مكافحة تغير المناخ والحد من ظاهرة الاحتباس الحراري. تعمل العديد من البلدان على تسريع تطوير صناعة الطاقة الهيدروجينية واستثمار الكثير من الأموال في إنتاج وتخزين ونقل طاقة الهيدروجين. يعد إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للمياه أحد التقنيات الرئيسية في إنتاج طاقة الهيدروجين. في عالم مثالي ، ستكون المواد الخام المستخدمة في التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين رخيصة ومتوفرة ، باستخدام المياه المتجددة والكهرباء فقط. في الوقت الحاضر ، تركز العديد من البلدان على تطوير تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين المائي بالتحليل الكهربائي ، من أجل تحسين كفاءة جهاز التحليل الكهربائي ، وتقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين وتوسيع نطاق السوق.

من المتوقع أن يؤدي إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للماء إلى جعل طاقة الهيدروجين تلعب دورًا رئيسيًا في عملية انتقال الطاقة العالمية. من المتوقع إزالة الكربون من بعض الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة باستخدام طاقة الهيدروجين ، وخاصة الهيدروجين الأخضر ، بدلاً من الوقود الأحفوري.

في عام 2017 ، ولأول مرة ، تجاوز عدد طلبات براءات الاختراع المقدمة لإنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للمياه عدد طلبات الوقود الأحفوري. منذ ذلك الحين ، انخفض عدد طلبات براءات الاختراع المتعلقة بإنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري كل عام. وهذا يدل على أن المجتمع الدولي قد توصل إلى توافق في الآراء بشأن تعزيز تطوير تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي بالماء ، وصاغت جميع البلدان استراتيجيات ذات صلة لهذا الغرض. تقود اليابان والولايات المتحدة وألمانيا وفرنسا والصين الطريق في التحليل الكهربائي للمياه لإنتاج الهيدروجين.

من أجل تحسين كفاءة جهاز التحليل الكهربائي وتقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين من المياه الإلكتروليتية ، من الضروري تعزيز الابتكار التكنولوجي. في السنوات الأخيرة ، تُظهر طلبات براءات الاختراع لخمسة مجالات تقنية فرعية للتحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين المائي اتجاهات مختلفة.

1. الهيكل وظروف التشغيل للمحلل الكهربائي
إن تحسين هيكل الخلية وظروف التشغيل لتحسين كفاءة إنتاج الهيدروجين قد جذب الكثير من الاهتمام. تساعد ظروف التشغيل ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي على تحسين كفاءة ومتانة وتكلفة وحدات التحليل الكهربائي. في عام 2020 ، تضاعف عدد طلبات براءات الاختراع لتكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية عالية الجهد عن عام 2016.
تتصدر اليابان هذا المجال ، حيث تمثل توشيبا وباناسونيك وهوندا وحدها 17 في المائة من طلبات براءات الاختراع الدولية.

2. الحفاز الكهربائي

تعكس الزيادة الكبيرة في طلبات براءات الاختراع المتعلقة بالمحفزات الكهربائية للمعادن غير الثمينة تحولًا في تركيز البحث والتطوير لتقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للمياه عن طريق تقليل ندرة المواد. ندرة المواد هي السبب في ارتفاع تكلفة إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء وعقبة رئيسية أمام اعتماد التكنولوجيا ، حيث يدفع الباحثون لاستبدال المواد النادرة بمعادن غير ثمينة.

منذ عام 2015 ، زاد عدد براءات الاختراع الدولية للمحفزات الكهربائية للمعادن غير الثمينة بشكل مطرد ، مما يساعد على تقليل تكلفة مواد الحفاز الكهربائي. تعد اليابان والولايات المتحدة أكثر نشاطًا في هذا المجال ، حيث تمثلان 42 في المائة من طلبات البراءات الدولية.

3. غشاء المحلل الكهربي
أكثر تطبيقات براءات الاختراع نشاطًا هي أغشية تبادل البروتونات (PEM ، أو أغشية البوليمر بالكهرباء) ، والتي تساعد على زيادة متانة الخلايا الإلكتروليتية وطول عمرها. شهد استخدام الأغشية الرقيقة لتحسين كفاءة الخلايا الإلكتروليتية وتقليل استهلاك الطاقة زيادة سريعة في عدد طلبات براءات الاختراع من عام 2010 إلى عام 2017.

4. مكدس المحلل الكهربائي
يمكن تقليل تكلفة الخلية الإلكتروليتية عن طريق إصلاح القطب الكهربائي واللوحة ثنائية القطب وطبقة النقل المسامية. كلما زادت الكثافة الحالية لكل وحدة مساحة للخلية الإلكتروليتية ، زادت مدة الخدمة ، وانخفضت تكلفة كل مكون ، وانخفضت التكلفة الإجمالية. انخفض عدد التطبيقات في 2019-20 ، ربما بسبب ضآلة مجال التقدم في تقليص حجم المفاعل.

5. محلول كهروضوئي
يعمل العديد من الباحثين بنشاط على تطوير تقنية التحليل الكهروضوئي. من عام 2015 إلى عام 2017 ، زاد عدد طلبات براءات الاختراع المتعلقة بالتحليل الكهروضوئي بشكل كبير. يمكن لتقنية التحليل الكهربائي الضوئي أن تكمل كلاً من توليد الطاقة وإنتاج الهيدروجين في خطوة واحدة ، مما يساعد على تقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين بشكل كبير. ومع ذلك ، فإن التكنولوجيا لم تنضج بعد وكفاءة إنتاج الهيدروجين ليست عالية.

سيستمر البحث والتطوير في تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين المائي بالتحليل الكهربائي ، مما سيساعد على تقليل تكلفة جهاز التحليل الكهربائي وتحسين كفاءة وقدرة إنتاج الهيدروجين. سيجعل الابتكار التكنولوجي الهيدروجين الأخضر أكثر تنافسية من حيث التكلفة ويمكّن الهيدروجين من لعب دور أكبر في إزالة الكربون وانتقال الطاقة.