出品|網(wǎng)易新聞

導(dǎo)語(yǔ)：近日，在福建興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)，由深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)與中國(guó)東方電氣集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)展的全球首次海上風(fēng)電無(wú)淡化海水原位電解制氫技術(shù)獲得成功。媒體評(píng)論此次海上中試成功，不僅破解了近半個(gè)世紀(jì)的世界性難題，更是打開(kāi)了低成本綠氫生產(chǎn)的大門(mén)。那么這項(xiàng)技術(shù)到底是什么？到底是顛覆還是夸大？

海水原位直接也解制氫技術(shù)海試現(xiàn)場(chǎng)

(資料圖)

一、這項(xiàng)中國(guó)海水制氫技術(shù)有望引發(fā)能源變革

5月17日至26日在福建興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展海試。此次海試經(jīng)受了8級(jí)大風(fēng)、1米高海浪、暴雨等極端環(huán)境的考驗(yàn)后，設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)240小時(shí)，穩(wěn)定性良好，制氫純度達(dá)到99.9%—99.99%。

此次海試設(shè)備的支撐技術(shù)正是來(lái)自謝和平團(tuán)隊(duì)2022年11月30日在《Nature》（自然）國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)雜志發(fā)表的海水直接電解制氫技術(shù)成果，且被評(píng)為“2022年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”之一。

謝和平等在《Nature》雜志發(fā)表論文截圖

《Nature》評(píng)審高度評(píng)價(jià)中國(guó)這項(xiàng)原創(chuàng)技術(shù)成果：“很少有論文能夠令人信服地從海水中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；€(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點(diǎn)。他們完美地解決了有害腐蝕性這一長(zhǎng)期困擾海水制氫領(lǐng)域的問(wèn)題，將打開(kāi)低成本燃料生產(chǎn)的大門(mén)，有望推動(dòng)變革走向更可持續(xù)的世界！”

謝和平院士接受央視采訪截圖

“這是我們邁向全球海水直接電解制氫新時(shí)代‘三步走’策略當(dāng)中的第一步，也是關(guān)鍵一步?！敝x和平院士表示，接下來(lái)的第二步，團(tuán)隊(duì)將全力攻關(guān)第二代抗海洋環(huán)境干擾的海水直接電解制氫核心技術(shù)，迭代發(fā)展更高效、更高兼容性、更高穩(wěn)定性的核心技術(shù)及裝備，始終保持無(wú)淡化海水直接制氫的原理與技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

二、氫能環(huán)保高效，但為什么難普及？

人類(lèi)對(duì)氫能的利用早在1807年便已經(jīng)開(kāi)始，二十世紀(jì)五十年代，氫能已應(yīng)用到航天領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的煤炭、石油等化石能源相比，氫能清潔高效。

氫氣的能量密度是所有化石燃料中最高的，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。每公斤氫燃燒產(chǎn)生的熱能為140.4兆焦耳，最關(guān)鍵的是氫氣燃燒后的產(chǎn)物只有水，不會(huì)產(chǎn)生任何污染物，對(duì)環(huán)境和人體都沒(méi)有任何危害，可以說(shuō)全面碾壓化石燃料。

氫氣的能量密度對(duì)照表

但目前氫能生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等成本偏高，制約了大范圍商業(yè)化普及，太貴了以至于大眾現(xiàn)在還用不起。

你也許會(huì)問(wèn)現(xiàn)在氫動(dòng)力汽車(chē)沒(méi)有大面積普及，哪來(lái)的這么多對(duì)于氫氣的需求呢？目前氫動(dòng)力汽車(chē)普及受限，其實(shí)并非是燃料電池的技術(shù)本身，而是整個(gè)氫能源的鏈條其實(shí)過(guò)于復(fù)雜，成本居高不下。

氫氣不僅可以作為汽車(chē)燃料，還是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用到化工、建筑、電力等多個(gè)領(lǐng)域。比如說(shuō)石油提煉、農(nóng)作物肥料、金屬冶煉，甚至我們?nèi)粘Ｉ钏璧氖秤糜?、洗發(fā)露、清潔劑等都需要?dú)錃鈦?lái)做脂肪氫化，只是這些場(chǎng)景偏供應(yīng)鏈的上游，大眾的不太了解。

制約氫燃料電池全面普及的一個(gè)主要原因，是因?yàn)闅錃獾闹迫〖夹g(shù)本身不環(huán)保。

當(dāng)前氫氣的制取主要是來(lái)自于四個(gè)路線(xiàn)：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫和生物質(zhì)制氫，其中的化石燃料和工業(yè)副產(chǎn)物是最主流的路線(xiàn)，而進(jìn)一步講的占據(jù)主導(dǎo)地位成本最低的，是通過(guò)天然氣的重整反應(yīng)來(lái)制取氫氣，也就是甲烷重整制氫，這是目前最便宜的氫氣制取方式，但很顯然重整制氫的碳排放是比較大的，不環(huán)保，會(huì)對(duì)環(huán)境造成了巨大的污染。

天然氣制氫裝置

即使現(xiàn)在所謂的“綠色”氫氣也是需要通過(guò)電解淡水才能制造，耗電多成本非常高。制取一立方米的氫氣，大約要消耗4-5kWh的電量。商業(yè)上幾乎不可取，僅占全球氫氣總產(chǎn)量的1%，因此尋找一種可持續(xù)、低成本、高效率的制氫方法，就是現(xiàn)在的當(dāng)務(wù)之急。

三、海洋是最大的“氫礦”，但“挖礦”有難度

地球上有71%的面積呢是被海水覆蓋的，海水占地球總水量的97.5%，海洋是最大的“氫礦”，其蘊(yùn)含的氫能熱值是地球化石燃料總量的9000倍，向大海要水成為未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向。

想直接用海水來(lái)制氫都面臨一個(gè)巨大的難題，世界各地的海水成分存在差異，海水至少含有約92種不同的化學(xué)元素，如鈉、鎂、鈣、鉀、氯等，海水會(huì)腐蝕電解槽和催化劑，干擾海水電解制氫過(guò)程，導(dǎo)致催化劑失活、電極腐蝕、隔膜堵塞等問(wèn)題，甚至?xí)?lái)析氯反應(yīng)釋放有毒的氯氣。

海水組成示意圖

要推動(dòng)電解水制氫的發(fā)展必須要采用廉價(jià)電能降低過(guò)程的能耗，比如說(shuō)風(fēng)力發(fā)電等。全世界都在面臨一個(gè)共同的終極問(wèn)題：電解水制氫離不開(kāi)淡水或是純水。

目前商業(yè)化的電解水制氫都是依靠淡水來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而淡水相比海水是非常稀缺的資源。海水要先凈化以后，再用得的純水來(lái)做電解。

目前電解水制氫主要有三種技術(shù)路徑：堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水制氫、固態(tài)氧化物電解水制氫，堿性電解水是最成熟最普及的制氫技術(shù)，但是效率低，能耗高，而且有污染。

堿性電解水制氫原理示意圖

質(zhì)子交換模方案也已經(jīng)商業(yè)化，但是還沒(méi)有普及，它的優(yōu)點(diǎn)的是響應(yīng)快，效率高，沒(méi)有污染。但缺點(diǎn)是電流密度小，電解槽的制造成本比較高。

質(zhì)子交換膜電解水制氫示意圖

至于固態(tài)氧化物方案，它的優(yōu)點(diǎn)就是能耗低效率高，目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在比如說(shuō)工作溫度需要控制在700-1000攝氏度等問(wèn)題。這就導(dǎo)致商業(yè)化還存在一定難度。所以目前主流的電解水制氫技術(shù)就是堿性電解水和質(zhì)子交換膜。

四、中國(guó)這項(xiàng)技術(shù)是如何突破瓶頸的？

1）技術(shù)原理：基于堿性電解水的方案改進(jìn)

海水直接制氫技術(shù)是可以帶動(dòng)能源變革的前沿技術(shù)，當(dāng)前國(guó)外海水制氫主流技術(shù)路線(xiàn)，還是通過(guò)反滲透設(shè)備進(jìn)行淡化處理后再電解制氫，這種工藝復(fù)雜且占用大量的土地資源。

謝和平院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的抗海洋環(huán)境干擾的海水直接電解制氫核心技術(shù)，提出了一種利用多孔隔膜水蒸發(fā)電解海水制氫的方法，從根本上解決了副反應(yīng)和腐蝕問(wèn)題。

根據(jù)謝和平團(tuán)隊(duì)專(zhuān)利文件的描述，這項(xiàng)技術(shù)的原理是基于堿性電解水的方案改進(jìn)升級(jí)，在負(fù)極會(huì)吸出氧氣，在正極會(huì)吸出氫氣，它中間是一個(gè)完整的堿性電解水制氫的一個(gè)電解槽，最核心的部分就是整個(gè)裝置的左右兩側(cè)是海水，抽取進(jìn)來(lái)的海水直接通過(guò)隔膜過(guò)濾后，理論上就只有純水才能進(jìn)入到中間的電解槽中。

相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫原理

2）關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于如何分離海水？

按照專(zhuān)利中解釋?zhuān)舅悸肥抢煤Ｋc電解液的界面壓力差，使電解液吸收掉海水中透過(guò)來(lái)的水蒸氣，隔膜只允許氣體通過(guò)，而將海水中的一些雜質(zhì)等排除在外，這種隔膜的孔徑為0.1-100微米之間，被叫做水汽傳質(zhì)層。

專(zhuān)利描述電解液采用一定量的硫酸溶液，可以吸取水分，所以在電解液這一側(cè)硫酸溶液創(chuàng)造了液項(xiàng)吸濕條件，來(lái)進(jìn)一步給水蒸氣提供遷移的動(dòng)力，這項(xiàng)技術(shù)是把物理力學(xué)和電化學(xué)結(jié)合了起來(lái)，集成到了一個(gè)裝置中，實(shí)現(xiàn)了原位海水制氫。

電解水制氫電能消耗占據(jù)成本的80%左右，如果要讓電解水制氫更有競(jìng)爭(zhēng)力，那么除了要規(guī)避對(duì)于純水的依賴(lài)以外，也要降低制氫過(guò)程的總能耗，配套光伏或風(fēng)力發(fā)電是勢(shì)在必行。

海水原位直接也解制氫技術(shù)設(shè)備

目前無(wú)淡化原位直接電解制氫和天然氣制氫成本比還是有一定差距，原位直接電解制氫裝備技術(shù)目前正在逐步突破商業(yè)化的瓶頸，未來(lái)作業(yè)場(chǎng)景定位在沿?；蚪?，利用風(fēng)能或者太陽(yáng)能產(chǎn)生的電力來(lái)為電解槽提供電，而電解槽可以直接在海水中實(shí)施電解制氫，整個(gè)過(guò)程全部都在一個(gè)地方完成，不涉及電力的遠(yuǎn)程輸送和海水的淡化過(guò)程。

這項(xiàng)技術(shù)除了海水之外，也能夠適用于其他非揮發(fā)性液體的分離處理，例如高濃度的酸、堿和鹽溶液，因此也有望應(yīng)用于工業(yè)廢水的連續(xù)高效再處理。

結(jié)語(yǔ)：

此次在我國(guó)海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)上模塊化裝配制氫系統(tǒng)測(cè)試成功， 未來(lái)可構(gòu)建與海上可再生能源相結(jié)合的一體化原位海水制氫工廠，可就地使用天然海水直接電解產(chǎn)氫，過(guò)程簡(jiǎn)單、無(wú)污染，不占用陸地資源，為海上風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)提供新路徑，有望真正將取之不盡的海水資源轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｋ茉础?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]深大第一單位在NATURE發(fā)表成果破解海水直接電解制氫半世紀(jì)難題

[2]基于液相吸濕的非純水溶液電解制氫裝置、系統(tǒng)及方法

關(guān)鍵詞：