破解世紀難題！“中國造”海水直接制氫，顛覆還是夸大？

出品|網易新聞

導語：近日，在福建興化灣海上風電場，由深圳大學/四川大學謝和平院士團隊與中國東方電氣集團聯合開展的全球首次海上風電無淡化海水原位電解制氫技術獲得成功。媒體評論此次海上中試成功，不僅破解了近半個世紀的世界性難題，更是打開了低成本綠氫生產的大門。那么這項技術到底是什么？到底是顛覆還是夸大？

海水原位直接也解制氫技術海試現場

一、這項中國海水制氫技術有望引發能源變革

5月17日至26日在福建興化灣海上風電場開展海試。此次海試經受了8級大風、1米高海浪、暴雨等極端環境的考驗后，設備連續穩定運行超過240小時，穩定性良好，制氫純度達到99.9%—99.99%。

此次海試設備的支撐技術正是來自謝和平團隊2022年11月30日在《Nature》（自然）國際權威學術雜志發表的海水直接電解制氫技術成果，且被評為“2022年中國科學十大進展”之一。

謝和平等在《Nature》雜志發表論文截圖

《Nature》評審高度評價中國這項原創技術成果：“很少有論文能夠令人信服地從海水中實現規模化穩定制氫，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域的問題，將打開低成本燃料生產的大門，有望推動變革走向更可持續的世界！”

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’策略當中的第一步，也是關鍵一步。”謝和平院士表示，接下來的第二步，團隊將全力攻關第二代抗海洋環境干擾的海水直接電解制氫核心技術，迭代發展更高效、更高兼容性、更高穩定性的核心技術及裝備，始終保持無淡化海水直接制氫的原理與技術領先優勢。

二、氫能環保高效，但為什么難普及？

人類對氫能的利用早在1807年便已經開始，二十世紀五十年代，氫能已應用到航天領域。與傳統的煤炭、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。每公斤氫燃燒產生的熱能為140.4兆焦耳，最關鍵的是氫氣燃燒后的產物只有水，不會產生任何污染物，對環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、運輸、存儲等成本偏高，制約了大范圍商業化普及，太貴了以至于大眾現在還用不起。

你也許會問現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本身，而是整個氫能源的鏈條其實過于復雜，成本居高不下。

氫氣不僅可以作為汽車燃料，還是重要的工業原料，廣泛應用到化工、建筑、電力等多個領域。比如說石油提煉、農作物肥料、金屬冶煉，甚至我們日常生活所需的食用油、洗發露、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本身不環保。

當前氫氣的制取主要是來自于四個路線：化石燃料制氫、工業副產物制氫、電解水制氫和生物質制氫，其中的化石燃料和工業副產物是最主流的路線，而進一步講的占據主導地位成本最低的，是通過天然氣的重整反應來制取氫氣，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，不環保，會對環境造成了巨大的污染。

天然氣制氫裝置

即使現在所謂的“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。商業上幾乎不可取，僅占全球氫氣總產量的1%，因此尋找一種可持續、低成本、高效率的制氫方法，就是現在的當務之急。

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，導致催化劑失活、電極腐蝕、隔膜堵塞等問題，甚至會帶來析氯反應釋放有毒的氯氣。

海水組成示意圖

要推動電解水制氫的發展必須要采用廉價電能降低過程的能耗，比如說風力發電等。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。

目前商業化的電解水制氫都是依靠淡水來實現的，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路徑：堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫、固態氧化物電解水制氫，堿性電解水是最成熟最普及的制氫技術，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

質子交換模方案也已經商業化，但是還沒有普及，它的優點的是響應快，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。

質子交換膜電解水制氫示意圖

至于固態氧化物方案，它的優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。這就導致商業化還存在一定難度。所以目前主流的電解水制氫技術就是堿性電解水和質子交換膜。

四、中國這項技術是如何突破瓶頸的？

1）技術原理：基于堿性電解水的方案改進

海水直接制氫技術是可以帶動能源變革的前沿技術，當前國外海水制氫主流技術路線，還是通過反滲透設備進行淡化處理后再電解制氫，這種工藝復雜且占用大量的土地資源。

謝和平院士團隊研發的抗海洋環境干擾的海水直接電解制氫核心技術，提出了一種利用多孔隔膜水蒸發電解海水制氫的方法，從根本上解決了副反應和腐蝕問題。

根據謝和平團隊專利文件的描述，這項技術的原理是基于堿性電解水的方案改進升級，在負極會吸出氧氣，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是海水，抽取進來的海水直接通過隔膜過濾后，理論上就只有純水才能進入到中間的電解槽中。

相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫原理

2）關鍵技術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硫酸溶液創造了液項吸濕條件，來進一步給水蒸氣提供遷移的動力，這項技術是把物理力學和電化學結合了起來，集成到了一個裝置中，實現了原位海水制氫。

電解水制氫電能消耗占據成本的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，配套光伏或風力發電是勢在必行。

海水原位直接也解制氫技術設備

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目前正在逐步突破商業化的瓶頸，未來作業場景定位在沿海或近海，利用風能或者太陽能產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，不涉及電力的遠程輸送和海水的淡化過程。

這項技術除了海水之外，也能夠適用于其他非揮發性液體的分離處理，例如高濃度的酸、堿和鹽溶液，因此也有望應用于工業廢水的連續高效再處理。

結語：

此次在我國海上風機平臺上模塊化裝配制氫系統測試成功， 未來可構建與海上可再生能源相結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氫，過程簡單、無污染，不占用陸地資源，為海上風電大規模開發提供新路徑，有望真正將取之不盡的海水資源轉變為海水‘能源’。

參考文獻：

[1]深大第一單位在NATURE發表成果破解海水直接電解制氫半世紀難題

[2]基于液相吸濕的非純水溶液電解制氫裝置、系統及方法