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導(dǎo)語：近日，在福建興化灣海上風(fēng)電場，由深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士團隊與中國東方電氣集團聯(lián)合開展的全球首次海上風(fēng)電無淡化海水原位電解制氫技術(shù)獲得成功。媒體評論此次海上中試成功，不僅破解了近半個世紀(jì)的世界性難題，更是打開了低成本綠氫生產(chǎn)的大門。那么這項技術(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

(資料圖)

一、這項中國海水制氫技術(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)電場開展海試。此次海試經(jīng)受了8級大風(fēng)、1米高海浪、暴雨等極端環(huán)境的考驗后，設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運行超過240小時，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)正是來自謝和平團隊2022年11月30日在《Nature》（自然）國際權(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，且被評為“2022年中國科學(xué)十大進(jìn)展”之一。

謝和平等在《Nature》雜志發(fā)表論文截圖

《Nature》評審高度評價中國這項原創(chuàng)技術(shù)成果：“很少有論文能夠令人信服地從海水中實現(xiàn)規(guī)?；€(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點。他們完美地解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的問題，將打開低成本燃料生產(chǎn)的大門，有望推動變革走向更可持續(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代‘三步走’策略當(dāng)中的第一步，也是關(guān)鍵一步。”謝和平院士表示，接下來的第二步，團隊將全力攻關(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，始終保持無淡化海水直接制氫的原理與技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

二、氫能環(huán)保高效，但為什么難普及？

人類對氫能的利用早在1807年便已經(jīng)開始，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，不會產(chǎn)生任何污染物，對環(huán)境和人體都沒有任何危害，可以說全面碾壓化石燃料。

氫氣的能量密度對照表

但目前氫能生產(chǎn)、運輸、存儲等成本偏高，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。

你也許會問現(xiàn)在氫動力汽車沒有大面積普及，哪來的這么多對于氫氣的需求呢？目前氫動力汽車普及受限，其實并非是燃料電池的技術(shù)本身，而是整個氫能源的鏈條其實過于復(fù)雜，成本居高不下。

氫氣不僅可以作為汽車燃料，還是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用到化工、建筑、電力等多個領(lǐng)域。比如說石油提煉、農(nóng)作物肥料、金屬冶煉，甚至我們?nèi)粘Ｉ钏璧氖秤糜汀⑾窗l(fā)露、清潔劑等都需要氫氣來做脂肪氫化，只是這些場景偏供應(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主要原因，是因為氫氣的制取技術(shù)本身不環(huán)保。

當(dāng)前氫氣的制取主要是來自于四個路線：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，而進(jìn)一步講的占據(jù)主導(dǎo)地位成本最低的，是通過天然氣的重整反應(yīng)來制取氫氣，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，會對環(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氫能發(fā)展的重要方向。

想直接用海水來制氫都面臨一個巨大的難題，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，海水會腐蝕電解槽和催化劑，干擾海水電解制氫過程，導(dǎo)致催化劑失活、電極腐蝕、隔膜堵塞等問題，甚至?xí)砦雎确磻?yīng)釋放有毒的氯氣。

海水組成示意圖

要推動電解水制氫的發(fā)展必須要采用廉價電能降低過程的能耗，比如說風(fēng)力發(fā)電等。全世界都在面臨一個共同的終極問題：電解水制氫離不開淡水或是純水。

目前商業(yè)化的電解水制氫都是依靠淡水來實現(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，但是還沒有普及，它的優(yōu)點的是響應(yīng)快，效率高，沒有污染。但缺點是電流密度小，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)點就是能耗低效率高，目前還處于實驗室階段，存在比如說工作溫度需要控制在700-1000攝氏度等問題。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、中國這項技術(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)是可以帶動能源變革的前沿技術(shù)，當(dāng)前國外海水制氫主流技術(shù)路線，還是通過反滲透設(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。

謝和平院士團隊研發(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)和腐蝕問題。

根據(jù)謝和平團隊專利文件的描述，這項技術(shù)的原理是基于堿性電解水的方案改進(jìn)升級，在負(fù)極會吸出氧氣，在正極會吸出氫氣，它中間是一個完整的堿性電解水制氫的一個電解槽，最核心的部分就是整個裝置的左右兩側(cè)是海水，抽取進(jìn)來的海水直接通過隔膜過濾后，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)動的海水無淡化原位直接電解制氫原理

2）關(guān)鍵技術(shù)難點在于如何分離海水？

按照專利中解釋，基本思路是利用海水與電解液的界面壓力差，使電解液吸收掉海水中透過來的水蒸氣，隔膜只允許氣體通過，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)造了液項吸濕條件，來進(jìn)一步給水蒸氣提供遷移的動力，這項技術(shù)是把物理力學(xué)和電化學(xué)結(jié)合了起來，集成到了一個裝置中，實現(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爭力，那么除了要規(guī)避對于純水的依賴以外，也要降低制氫過程的總能耗，配套光伏或風(fēng)力發(fā)電是勢在必行。

海水原位直接也解制氫技術(shù)設(shè)備

目前無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，未來作業(yè)場景定位在沿?；蚪＃蔑L(fēng)能或者太陽能產(chǎn)生的電力來為電解槽提供電，而電解槽可以直接在海水中實施電解制氫，整個過程全部都在一個地方完成，不涉及電力的遠(yuǎn)程輸送和海水的淡化過程。

這項技術(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：

此次在我國海上風(fēng)機平臺上模塊化裝配制氫系統(tǒng)測試成功， 未來可構(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，過程簡單、無污染，不占用陸地資源，為海上風(fēng)電大規(guī)模開發(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

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