破解世纪难题！“中国造”海水直接制氢，颠覆还是夸大？

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导语：近日，在福建兴化湾海上风电场，由深圳大学/四川大学谢和平院士团队与中国东方电气集团联合开展的全球首次海上风电无淡化海水原位电解制氢技术获得成功。媒体评论此次海上中试成功，不仅破解了近半个世纪的世界性难题，更是打开了低成本绿氢生产的大门。那么这项技术到底是什么？到底是颠覆还是夸大？

海水原位直接也解制氢技术海试现场

一、这项中国海水制氢技术有望引发能源变革

5月17日至26日在福建兴化湾海上风电场开展海试。此次海试经受了8级大风、1米高海浪、暴雨等极端环境的考验后，设备连续稳定运行超过240小时，稳定性良好，制氢纯度达到99.9%—99.99%。

此次海试设备的支撑技术正是来自谢和平团队2022年11月30日在《Nature》（自然）国际权威学术杂志发表的海水直接电解制氢技术成果，且被评为“2022年中国科学十大进展”之一。

谢和平等在《Nature》杂志发表论文截图

《Nature》评审高度评价中国这项原创技术成果：“很少有论文能够令人信服地从海水中实现规模化稳定制氢，但该论文的工作恰恰做到了这一点。他们完美地解决了有害腐蚀性这一长期困扰海水制氢领域的问题，将打开低成本燃料生产的大门，有望推动变革走向更可持续的世界！”

谢和平院士接受央视采访截图

“这是我们迈向全球海水直接电解制氢新时代‘三步走’策略当中的第一步，也是关键一步。”谢和平院士表示，接下来的第二步，团队将全力攻关第二代抗海洋环境干扰的海水直接电解制氢核心技术，迭代发展更高效、更高兼容性、更高稳定性的核心技术及装备，始终保持无淡化海水直接制氢的原理与技术领先优势。

二、氢能环保高效，但为什么难普及？

人类对氢能的利用早在1807年便已经开始，二十世纪五十年代，氢能已应用到航天领域。与传统的煤炭、石油等化石能源相比，氢能清洁高效。

氢气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。每公斤氢燃烧产生的热能为140.4兆焦耳，最关键的是氢气燃烧后的产物只有水，不会产生任何污染物，对环境和人体都没有任何危害，可以说全面碾压化石燃料。

氢气的能量密度对照表

但目前氢能生产、运输、存储等成本偏高，制约了大范围商业化普及，太贵了以至于大众现在还用不起。

你也许会问现在氢动力汽车没有大面积普及，哪来的这么多对于氢气的需求呢？目前氢动力汽车普及受限，其实并非是燃料电池的技术本身，而是整个氢能源的链条其实过于复杂，成本居高不下。

氢气不仅可以作为汽车燃料，还是重要的工业原料，广泛应用到化工、建筑、电力等多个领域。比如说石油提炼、农作物肥料、金属冶炼，甚至我们日常生活所需的食用油、洗发露、清洁剂等都需要氢气来做脂肪氢化，只是这些场景偏供应链的上游，大众的不太了解。

制约氢燃料电池全面普及的一个主要原因，是因为氢气的制取技术本身不环保。

当前氢气的制取主要是来自于四个路线：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢和生物质制氢，其中的化石燃料和工业副产物是最主流的路线，而进一步讲的占据主导地位成本最低的，是通过天然气的重整反应来制取氢气，也就是甲烷重整制氢，这是目前最便宜的氢气制取方式，但很显然重整制氢的碳排放是比较大的，不环保，会对环境造成了巨大的污染。

天然气制氢装置

即使现在所谓的“绿色”氢气也是需要通过电解淡水才能制造，耗电多成本非常高。制取一立方米的氢气，大约要消耗4-5kWh的电量。商业上几乎不可取，仅占全球氢气总产量的1%，因此寻找一种可持续、低成本、高效率的制氢方法，就是现在的当务之急。

三、海洋是最大的“氢矿”，但“挖矿”有难度

地球上有71%的面积呢是被海水覆盖的，海水占地球总水量的97.5%，海洋是最大的“氢矿”，其蕴含的氢能热值是地球化石燃料总量的9000倍，向大海要水成为未来氢能发展的重要方向。

想直接用海水来制氢都面临一个巨大的难题，世界各地的海水成分存在差异，海水至少含有约92种不同的化学元素，如钠、镁、钙、钾、氯等，海水会腐蚀电解槽和催化剂，干扰海水电解制氢过程，导致催化剂失活、电极腐蚀、隔膜堵塞等问题，甚至会带来析氯反应释放有毒的氯气。

海水组成示意图

要推动电解水制氢的发展必须要采用廉价电能降低过程的能耗，比如说风力发电等。全世界都在面临一个共同的终极问题：电解水制氢离不开淡水或是纯水。

目前商业化的电解水制氢都是依靠淡水来实现的，而淡水相比海水是非常稀缺的资源。海水要先净化以后，再用得的纯水来做电解。

目前电解水制氢主要有三种技术路径：碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固态氧化物电解水制氢，碱性电解水是最成熟最普及的制氢技术，但是效率低，能耗高，而且有污染。

碱性电解水制氢原理示意图

质子交换模方案也已经商业化，但是还没有普及，它的优点的是响应快，效率高，没有污染。但缺点是电流密度小，电解槽的制造成本比较高。

质子交换膜电解水制氢示意图

至于固态氧化物方案，它的优点就是能耗低效率高，目前还处于实验室阶段，存在比如说工作温度需要控制在700-1000摄氏度等问题。这就导致商业化还存在一定难度。所以目前主流的电解水制氢技术就是碱性电解水和质子交换膜。

四、中国这项技术是如何突破瓶颈的？

1）技术原理：基于碱性电解水的方案改进

海水直接制氢技术是可以带动能源变革的前沿技术，当前国外海水制氢主流技术路线，还是通过反渗透设备进行淡化处理后再电解制氢，这种工艺复杂且占用大量的土地资源。

谢和平院士团队研发的抗海洋环境干扰的海水直接电解制氢核心技术，提出了一种利用多孔隔膜水蒸发电解海水制氢的方法，从根本上解决了副反应和腐蚀问题。

根据谢和平团队专利文件的描述，这项技术的原理是基于碱性电解水的方案改进升级，在负极会吸出氧气，在正极会吸出氢气，它中间是一个完整的碱性电解水制氢的一个电解槽，最核心的部分就是整个装置的左右两侧是海水，抽取进来的海水直接通过隔膜过滤后，理论上就只有纯水才能进入到中间的电解槽中。

相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢原理

2）关键技术难点在于如何分离海水？

按照专利中解释，基本思路是利用海水与电解液的界面压力差，使电解液吸收掉海水中透过来的水蒸气，隔膜只允许气体通过，而将海水中的一些杂质等排除在外，这种隔膜的孔径为0.1-100微米之间，被叫做水汽传质层。

专利描述电解液采用一定量的硫酸溶液，可以吸取水分，所以在电解液这一侧硫酸溶液创造了液项吸湿条件，来进一步给水蒸气提供迁移的动力，这项技术是把物理力学和电化学结合了起来，集成到了一个装置中，实现了原位海水制氢。

电解水制氢电能消耗占据成本的80%左右，如果要让电解水制氢更有竞争力，那么除了要规避对于纯水的依赖以外，也要降低制氢过程的总能耗，配套光伏或风力发电是势在必行。

海水原位直接也解制氢技术设备

目前无淡化原位直接电解制氢和天然气制氢成本比还是有一定差距，原位直接电解制氢装备技术目前正在逐步突破商业化的瓶颈，未来作业场景定位在沿海或近海，利用风能或者太阳能产生的电力来为电解槽提供电，而电解槽可以直接在海水中实施电解制氢，整个过程全部都在一个地方完成，不涉及电力的远程输送和海水的淡化过程。

这项技术除了海水之外，也能够适用于其他非挥发性液体的分离处理，例如高浓度的酸、碱和盐溶液，因此也有望应用于工业废水的连续高效再处理。

结语：

此次在我国海上风机平台上模块化装配制氢系统测试成功， 未来可构建与海上可再生能源相结合的一体化原位海水制氢工厂，可就地使用天然海水直接电解产氢，过程简单、无污染，不占用陆地资源，为海上风电大规模开发提供新路径，有望真正将取之不尽的海水资源转变为海水‘能源’。

参考文献：

[1]深大第一单位在NATURE发表成果破解海水直接电解制氢半世纪难题

[2]基于液相吸湿的非纯水溶液电解制氢装置、系统及方法