电解水制氢已经被认为是氢能产业的未来的主要发展方向。在经历了数十年的“冷板凳”后，绿氢和电解槽产业迎来了迅猛增长：1）全球各地都开始积极涌现各类可再生能源电解水制氢项目；2）电解槽订单大量积压，如欧洲厂商蒂森克虏伯的电解槽订单已经超过10亿美元；3）大量企业涌向电解槽领域，国内电解槽企业已经从2020年的10家左右迅速增长至100家以上。
目前全球对于电解水制氢的关注重点都集中在电解槽产能与电解水制氢成本上，但电解水制氢的大规模发展还面临着两个关于“水”重点问题：
（1）淡水是一种稀缺的资源，够用吗？根据联合国水机制，23 亿人生活在缺水国家，其中 7.33 亿人生活在严重缺水国家（联合国水机制，2021）。工业、农业等各行业已经使用了大量的水，“与人争水”现象严重。
（2）可再生电力和淡水供应地理错配，咋办？太阳能和风能资源丰富的地区经常出现缺水问题，如中亚、西亚、印度、北非、北美西部和澳大利亚的大部分地区，具体见图1。
图1 可再生电力能源与水资源地理错配
来源：世界资源研究所
a水资源与太阳能错配情况；b水资源与风能错配情况（不包括沿海地区）
因此，将水作为制氢原料不仅会带来后勤方面的挑战，而且随着水资源短缺的加剧，也可能无法实现绿氢的大规模发展。整个以氢为基础的经济肯定会增加全球淡水短缺的风险。
一个思考：未来如果水不够，电解水制氢产业该如何发展？
此前曾有报道称，科学家希望利用空气中的水分含量来解决水问题。来自中国、澳大利亚和英国的科学家则通过研究合作向前迈出一步，并在近期取得了成果。
9月6日，《自然通讯》（《Nature Communications》）上发表了一篇名为《Hydrogen production from the air》的文章，提出了一种可以在不消耗淡水资源的情况下产生氢气的设备的工作原型。。该装置利用空气中的水分通过电解直接产生氢气，无需输入任何液态水。该模块由集水单元、电极和气体收集器组成，并可以与光伏和风力发电机等可再生能源的发电机配对。
直观地看，这不就是“空气制氢”技术！研究人员认为，该模块可以确保性能稳定，这让偏远缺水地区（如图1所示）提供绿色氢气成为可能，极大地扩展了能够生成绿色氢气地区的数量。可以认为，“空气制氢”技术或将可能让氢能成为历史上第一个“民主”的、分布式的能源。
可能是第一个“空气制氢”的报告？
研究人员将该设备称为直接空气电解器 ( Direct Air Electrolyser，DAE)，其工作原理是直接从空气中吸取水分，然后再通过标准电解过程制氢。
图2 DAE设备原理
来源：《Hydrogen production from the air》
a DAE 模块的示意图，带有一个由浸有吸湿性离子溶液的多孔介质制成的集水单元。b DAE 模块的横截面示意图，显示电极与空气进料隔离，吸收的水通过海绵的毛细管输送到电极。
如图2所示，该模块由中间的集水单元和两侧的电极与气体收集器组成。该模块能够与电源集成，例如太阳能电池板、风力涡轮机和任何其他可再生发电机。集水单元还用作储存电解液的容器。
集水器的秘诀在于浸透了离子溶液的多孔介质——将三聚氰胺海绵、烧结玻璃泡沫等多孔介质浸入具有潮解性的离子物质，通过暴露的表面吸收空气中的水分。液相中捕获的水通过扩散转移到电极表面，随后原位分裂成氢气和氧气，然后作为纯气体单独收集。端板和多孔泡沫之间的储存器在空气湿度过度波动的情况下充当空气屏障和离子溶液体积的缓冲剂。该储液罐可避免电解液从 DAE 模块溢出或润湿泡沫干涸。
项目首席研究员、墨尔本大学化学工程高级讲师Kevin Gang Li 博士说，他在考虑制氢时由于供水挑战产生了这个想法：“原理很简单。这种材料喜欢从空气中吸收水分子。当它们从空气中取出时，它们变成液体并进行电解。这是本发明的核心。”
“一个缺水地区可能会被认为不适合制氢。但空气中总是有丰富的淡水。位于沙漠一部分的爱丽斯泉，相对湿度也有20% 左右。这对于我们使用可再生能源就地生产氢气来说绰绰有余。”
原理看上去没什么问题，那么DAE的性能和稳定性如何？
为了进一步验证DAE模块在实际环境中的工作能力，该小组依靠太阳能和风能建造了两个原型。在太阳能驱动的独立式氢气塔中，集成了一块太阳能电池板和五个平行堆叠、面积不超过100平方厘米的 DAE 模块。塔的结构如图3所示。
这种设计的优点之一是塔的占地面积不超过太阳能电池板，这意味着 DAE 不会占用额外的土地——这对于户用而言至关重要。
图3 DAE设备原型及基本性能
来源：《Hydrogen production from the air》
a设计的氢气生成塔的照片，具有可扩展的 DAE 模块，占地面积最小。b不同天气条件下两天在相应的空气湿度和温度下每小时的氢气产生率和法拉第效率。
课题组在墨尔本大学连续运行了该原型机12天，电流密度为每平方厘米574毫安，一天能够产生约1500毫升的氢气，在此期间法拉第效率稳定在 95%。Kevin Gang Li 博士表示，其中一个设备在无人看管的情况下运行了八个月。
课题组还在相对湿度为4%的干燥地区测试了该原型，发现它在极度干燥的环境中表现也令人满意。课题组认为它可以用于以可持续的方式为世界干旱、半干旱和偏远地区提供绿色氢燃料。
原型仍然很小，团队计划进一步建造1平方米和10平方米的实验设备。据估计，该装置每小时每平方米可产生多达 93 升氢气。Kevin Gang Li 博士认为，10平方米单元足以为整个家庭供电，并代替天然气进行供暖和做饭。
氢能产业的发展和应用必将依赖于大规模制氢项目，但这与各类小型制氢方式的发展相冲突。随着智能微电网、分布式发电等各类分布式能源技术的发展和电力市场改革的进一步深化，未来的能源格局将出现集中式与分布式并存、合作的情况，这将有利于提高能源市场化程度，有利于进一步提高电力网络和能源网络的坚韧性、安全性，也有利于国家能源安全和社会供能稳定。此外，偏远地区的低成本供能，也必须依赖于这类分布式能源技术。“空气制氢”则属于该类型的技术之一。
在俄乌战争后，欧洲户用储能市场大规模爆发，就验证了小型独立能源供应系统的必要性和市场前景。
产业的发展需要奇思妙想，目前“应用场景不足”是国内各地方发展氢能产业面临的最主要难题。“空气制氢”技术的发展，为小型独立能源体系的建立提供了更多的可能，也有望为氢能的应用提供更多的场景。
