当前热议!海水制氢难题被破解

氢能发展的关键是什么？有人说是氢气的储存与运输，有人说取决于电堆的技术进步。然而，多位氢能领域的专家告诉记者，关键在电解水制氢。未来淡水资源非常宝贵，电解水制氢与人类使用淡水争夺资源，有可能限制氢能的发展。

太平洋、大西洋有大量的海水，能不能用于电解水制氢解决资源争夺的问题？中国能源研究会氢能专业委员会秘书长、国电投（广东）综合智慧能源创新研究院有限公司总经理徐文辉告诉记者，海水直接电解制氢由于技术难度较大，全球各国都处于试验阶段。

近日，中国工程院院士谢和平与他指导的深圳大学、四川大学博士团队首次从物理力学与电化学相结合的全新思路，建立了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术。该研究彻底隔绝海水离子，同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的高效海水原位直接电解制氢技术突破，即把海水当纯净水用，在海水里直接原位电解制氢。这破解了海水直接电解制氢的难题。

(资料图片仅供参考)

碳中和对氢能需求量巨大

经济的发展离不开能源。我国提出双碳目标后，清洁能源提上了新高度，氢能被认为是清洁能源最具的能源之一，受到高度关注。

据中国氢能联盟预测，在双碳目标下，2030年，我国氢气的年需求量将达到3715万吨，在终端能源消费中占比约为5%。2060年，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中的占比约为20%。其中，工业领域用氢占比仍然最大，占总需求量的60%，其次分别为交通运输领域、新工业原料、工业燃料等。

徐文辉告诉记者，氢能之所以这么受关注，与氢能的特性有很大关系，氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的能源，与电能同属二次能源，更容易耦合电能、热能、燃料等多种能源，并且氢能与电能一起建立互联互通的现代能源网络，可以促进电力与建筑、交通运输和工业之间的互连。

氢能的需求量巨大，电解水制氢是公认的绿氢制备方法，水资源也是地球上最大的“氢矿”，然而高能耗以及消耗淡水资源的问题对氢能的发展不利。

海水制氢技术难点困扰发展

海水制氢不是今天才兴起，上世纪70年代，多个国家都尝试研究。中国科学院大连化学物理研究所罗赛告诉记者，以往海水制氢都采用间接制氢的方法，即海水淡化，淡水制氢，制氢过程需要2步工艺。目前，海水间接制氢已形成一定规模的商业化。

海水制氢一般包括风力涡轮机、电解装置、变压器和脱盐装置。先通过脱盐装置将海水淡化成高纯度水，再利用海上风能发电将水电解为氢和氧。荷兰海王星能源公司2019年参与建立了全球首个海上绿氢试点项目PosHYdon，项目已于2021年7月开始生产氢气，，采用了1.25 MW的PEM电解槽，每天最多可产生500公斤的绿色氢气。

罗赛告诉记者，海水取之不尽，但海水成份复杂，工程化制氢有很多难点需要克服。海水溶解多种的无机盐离子，还含有许多有机物以及杂质，如塑料、微生物和溶解气体等，目前已知的100多种元素，80%以上都可以在海水中找到。直接使用传统电解槽电解海水，不溶物将在离子交换膜和催化剂表面的沉积黏附，导致离子通道以及催化活性位点的堵塞，使得催化剂在几百小时内快速失活。

“不溶物的附着还不是最麻烦的，海水中有大量氯离子，电解时，可在阳极被氧化为氯气以及次氯酸根，腐蚀电极金属基底以及导致催化剂失活。”罗赛说。

谢院士团队技术突破

为了解决海水制氢的这些问题，目前多个国家的海水间接制氢都采用先海水淡化，再制氢的工艺路线，谢和平院士及其团队取得了突破，直接海水制氢，解决了半个世纪来困扰海水淡化的难题。

谢和平院士提出了从物理力学与电化学相结合的全新思路，破解海水直接电解制氢面临的难题与挑战，开创了海水无淡化原位直接电解制氢新原理与技术。该成果通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程，与电化学反应巧妙结合，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型，揭示了微米级气隙通路下界面压力差对海水自发相变传质的影响机制，形成了电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定电解制氢方法，破解了有害腐蚀性这一困扰海水电解制氢领域的半世纪难题。

谢和平院士团队研制了全球首套400L/h海水原位直接电解制氢技术与装备，在深圳湾海水中连续运行超过3200小时，从海水中实现了稳定和规模化制氢过程。

罗赛告诉记者，在技术难点上，谢和平院士团队取得了可喜的成果，目前还只是实验成果，离工程化还有一定距离，工程化需要考虑经济性问题。