破解世紀難題！“中國造”海水直接制氫，顛覆還是誇大？

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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。那麼這項技術到底是什麼？到底是顛覆還是誇大？

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後，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）國際權威學術雜誌發表的海水直接電解制氫技術成果，且被評爲“2022年中國科學十大進展”之一。

《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製氫，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！”

“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，但爲什麼難普及？

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爲140.4兆焦耳，最關鍵的是氫氣燃燒後的產物只有水，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。

但目前氫能生產、運輸、存儲等成本偏高，制約了大範圍商業化普及，太貴了以至於大衆現在還用不起。

你也許會問現在氫動力汽車沒有大面積普及，哪來的這麼多對於氫氣的需求呢？目前氫動力汽車普及受限，其實並非是燃料電池的技術本身，而是整個氫能源的鏈條其實過於複雜，成本居高不下。

氫氣不僅可以作爲汽車燃料，還是重要的工業原料，廣泛應用到化工、建築、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、洗髮露、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，大衆的不太瞭解。

制約氫燃料電池全面普及的一個主要原因，是因爲氫氣的製取技術本身不環保。

當前氫氣的製取主要是來自於四個路線：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，而進一步講的佔據主導地位成本最低的，是通過天然氣的重整反應來製取氫氣，也就是甲烷重整制氫，這是目前最便宜的氫氣製取方式，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。

即使現在所謂的“綠色”氫氣也是需要通過電解淡水才能製造，耗電多成本非常高。製取一立方米的氫氣，大約要消耗4-5kWh的電量。商業上幾乎不可取，僅佔全球氫氣總產量的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，海水佔地球總水量的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，向大海要水成爲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。

要推動電解水制氫的發展必須要採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。海水要先淨化以後，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：鹼性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫、固態氧化物電解水制氫，鹼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。

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，電解槽的製造成本比較高。

至於固態氧化物方案，它的優點就是能耗低效率高，目前還處於實驗室階段，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鹼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：基於鹼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後再電解制氫，這種工藝複雜且佔用大量的土地資源。

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於鹼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鹼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後，理論上就只有純水才能進入到中間的電解槽中。

2）關鍵技術難點在於如何分離海水？

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，這種隔膜的孔徑爲0.1-100微米之間，被叫做水汽傳質層。

專利描述電解液採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溼條件，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佔據成本的80%左右，如果要讓電解水制氫更有競爭力，那麼除了要規避對於純水的依賴以外，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。

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爲電解槽提供電，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，也能夠適用於其他非揮發性液體的分離處理，例如高濃度的酸、鹼和鹽溶液，因此也有望應用於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製氫系統測試成功， 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，不佔用陸地資源，爲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爲海水‘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]基於液相吸溼的非純水溶液電解制氫裝置、系統及方法