Die Förderung von Wasserstoffenergie kann dazu beitragen, den Klimawandel zu bekämpfen und die globale Erwärmung einzudämmen. Viele Länder beschleunigen die Entwicklung der Wasserstoffenergieindustrie und investieren viel Geld in die Produktion, Speicherung und den Transport von Wasserstoffenergie. Die Wasserstofferzeugung aus Wasserelektrolyse ist eine der Schlüsseltechnologien in der Wasserstoffenergieerzeugung. In einer idealen Welt wären die Rohstoffe für die Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff billig und reichlich vorhanden, wobei nur erneuerbares Wasser und Strom verwendet würden. Gegenwärtig konzentrieren sich verschiedene Länder auf die Entwicklung der Technologie zur Herstellung von Wasserstoff aus Elektrolysewasser, um die Effizienz von Elektrolysegeräten zu verbessern, die Kosten der Wasserstoffproduktion zu senken und den Marktumfang zu erweitern.

Die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse wird voraussichtlich dazu führen, dass Wasserstoffenergie eine Schlüsselrolle im globalen Energiewendeprozess spielt. Es wird erwartet, dass einige energieintensive Industrien durch die Verwendung von Wasserstoffenergie, insbesondere grünem Wasserstoff, anstelle von fossilen Brennstoffen dekarbonisiert werden.

2017 übertraf die Zahl der Patentanmeldungen zur Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse erstmals die von fossilen Brennstoffen. Seitdem ist die Zahl der Patentanmeldungen im Zusammenhang mit der Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen jedes Jahr zurückgegangen. Dies zeigt, dass die internationale Gemeinschaft einen Konsens über die Förderung der Entwicklung der elektrolytischen Wasser-Wasserstoff-Produktionstechnologie erzielt hat und alle Länder entsprechende Strategien zu diesem Zweck formuliert haben. Japan, die Vereinigten Staaten, Deutschland, Frankreich und China sind führend bei der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff.

Um die Effizienz der Elektrolysevorrichtung zu verbessern und die Kosten der Wasserstofferzeugung aus Elektrolysewasser zu senken, ist es notwendig, technologische Innovationen zu fördern. In den letzten Jahren zeigen die Patentanmeldungen von fünf Teiltechnologiefeldern der Elektrolyse der Wasser-Wasserstoff-Produktion unterschiedliche Trends.

1. Struktur und Betriebsbedingungen des Elektrolyseurs
Die Optimierung der Zellstruktur und der Betriebsbedingungen zur Verbesserung der Wasserstoffproduktionseffizienz hat viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen und hohem Druck tragen dazu bei, die Effizienz, Haltbarkeit und Kosten von Elektrolyseeinheiten zu verbessern. Im Jahr 2020 hat sich die Zahl der Patentanmeldungen für die Technologie der Hochvolt-Elektrolysezellen gegenüber 2016 verdoppelt.
Japan führt das Feld an, wobei Toshiba, Panasonic und Honda allein 17 Prozent der internationalen Patentanmeldungen ausmachen.

2. Elektrokatalysator

Der Anstieg der Patentanmeldungen im Zusammenhang mit Nichtedelmetall-Elektrokatalysatoren spiegelt eine Verlagerung des F&E-Fokus wider, um die Kosten der Wasserstoffproduktion aus der Elektrolyse von Wasser durch Verringerung der Materialknappheit zu senken. Materialknappheit ist der Grund für die hohen Kosten der Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser und ein großes Hindernis für die Einführung der Technologie, da Forscher darauf drängen, knappe Materialien durch unedle Metalle zu ersetzen.

Seit 2015 ist die Zahl der internationalen Patente für Nichtedelmetall-Elektrokatalysatoren stetig gestiegen und trägt dazu bei, die Kosten für Elektrokatalysatormaterialien zu senken. Japan und die USA sind auf diesem Gebiet am aktivsten und machen 42 Prozent der internationalen Patentanmeldungen aus.

3. Elektrolyseurdiaphragma
Die aktivsten Patentanmeldungen betreffen Protonenaustauschmembranen (PEM oder Polymerelektrolytmembranen), die dazu beitragen, die Haltbarkeit und Langlebigkeit von Elektrolysezellen zu erhöhen. Die Verwendung dünnerer Membranen zur Verbesserung der Effizienz von Elektrolysezellen und zur Reduzierung des Stromverbrauchs führte zu einem rasanten Anstieg der Patentanmeldungen von 2010 bis 2017.

4. Elektrolyseur-Stack
Die Kosten der Elektrolysezelle können reduziert werden, indem Elektrode, Bipolarplatte und poröse Transportschicht reformiert werden. Je höher die Stromdichte pro Flächeneinheit der Elektrolysezelle, desto länger die Lebensdauer, desto geringer die Kosten der einzelnen Komponenten, desto geringer die Gesamtkosten. Die Zahl der Anträge ging 2019-20 zurück, möglicherweise weil es wenig Spielraum für Fortschritte bei der Verkleinerung des Reaktors gibt.

5. Photoelektrische Lösung
Viele Forscher entwickeln aktiv die Photoelektrolysetechnologie. Von 2015 bis 2017 stieg die Zahl der Patentanmeldungen im Zusammenhang mit der Photoelektrolyse deutlich an. Die Photoelektrolysetechnologie kann sowohl die Stromerzeugung als auch die Wasserstoffproduktion in einem Schritt abschließen, was hilfreich ist, um die Kosten der Wasserstoffproduktion erheblich zu senken. Allerdings ist die Technologie noch nicht ausgereift und die Effizienz der Wasserstofferzeugung nicht hoch.

Die heiße Forschung und Entwicklung der Elektrolysewasser-Wasserstoffproduktionstechnologie wird fortgesetzt, was dazu beitragen wird, die Kosten von Elektrolysegeräten weiter zu senken und die Effizienz und Kapazität der Wasserstoffproduktion zu verbessern. Technologische Innovationen werden grünen Wasserstoff kostenmäßig wettbewerbsfähiger machen und ihm ermöglichen, eine größere Rolle bei der Dekarbonisierung und Energiewende zu spielen.