太平洋、大西洋有大量的海水，能不能用于電解水制氫解決資源爭奪的問題？中國能源研究會氫能專業(yè)委員會秘書長、國電投（廣東）綜合智慧能源創(chuàng)新研究院有限公司總經(jīng)理徐文輝告訴記者，海水直接電解制氫由于技術(shù)難度較大，全球各國都處于試驗階段。
近日，中國工程院院士謝和平與他指導(dǎo)的深圳大學(xué)、四川大學(xué)博士團隊首次從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，建立了相變遷移驅(qū)動的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)。該研究徹底隔絕海水離子，同時實現(xiàn)了無淡化過程、無副反應(yīng)、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術(shù)突破，即把海水當(dāng)純凈水用，在海水里直接原位電解制氫。這破解了海水直接電解制氫的難題。
碳中和對氫能需求量巨大
經(jīng)濟的發(fā)展離不開能源。我國提出雙碳目標后，清潔能源提上了新高度，氫能被認為是清潔能源最具的能源之一，受到高度關(guān)注。
據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，在雙碳目標下，2030年，我國氫氣的年需求量將達到3715萬噸，在終端能源消費中占比約為5%。2060年，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中的占比約為20%。其中，工業(yè)領(lǐng)域用氫占比仍然最大，占總需求量的60%，其次分別為交通運輸領(lǐng)域、新工業(yè)原料、工業(yè)燃料等。
徐文輝告訴記者，氫能之所以這么受關(guān)注，與氫能的特性有很大關(guān)系，氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的能源，與電能同屬二次能源，更容易耦合電能、熱能、燃料等多種能源，并且氫能與電能一起建立互聯(lián)互通的現(xiàn)代能源網(wǎng)絡(luò)，可以促進電力與建筑、交通運輸和工業(yè)之間的互連。
氫能的需求量巨大，電解水制氫是公認的綠氫制備方法，水資源也是地球上最大的“氫礦”，然而高能耗以及消耗淡水資源的問題對氫能的發(fā)展不利。
海水制氫技術(shù)難點困擾發(fā)展
海水制氫不是今天才興起，上世紀70年代，多個國家都嘗試研究。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所羅賽告訴記者，以往海水制氫都采用間接制氫的方法，即海水淡化，淡水制氫，制氫過程需要2步工藝。目前，海水間接制氫已形成一定規(guī)模的商業(yè)化。
海水制氫一般包括風(fēng)力渦輪機、電解裝置、變壓器和脫鹽裝置。先通過脫鹽裝置將海水淡化成高純度水，再利用海上風(fēng)能發(fā)電將水電解為氫和氧。荷蘭海王星能源公司2019年參與建立了全球首個海上綠氫試點項目PosHYdon，項目已于2021年7月開始生產(chǎn)氫氣，，采用了1.25 MW的PEM電解槽，每天最多可產(chǎn)生500公斤的綠色氫氣。
羅賽告訴記者，海水取之不盡，但海水成份復(fù)雜，工程化制氫有很多難點需要克服。海水溶解多種的無機鹽離子，還含有許多有機物以及雜質(zhì)，如塑料、微生物和溶解氣體等，目前已知的100多種元素，80%以上都可以在海水中找到。直接使用傳統(tǒng)電解槽電解海水，不溶物將在離子交換膜和催化劑表面的沉積黏附，導(dǎo)致離子通道以及催化活性位點的堵塞，使得催化劑在幾百小時內(nèi)快速失活。
“不溶物的附著還不是最麻煩的，海水中有大量氯離子，電解時，可在陽極被氧化為氯氣以及次氯酸根，腐蝕電極金屬基底以及導(dǎo)致催化劑失活。”羅賽說。
謝院士團隊技術(shù)突破
為了解決海水制氫的這些問題，目前多個國家的海水間接制氫都采用先海水淡化，再制氫的工藝路線，謝和平院士及其團隊取得了突破，直接海水制氫，解決了半個世紀來困擾海水淡化的難題。
謝和平院士提出了從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，破解海水直接電解制氫面臨的難題與挑戰(zhàn)，開創(chuàng)了海水無淡化原位直接電解制氫新原理與技術(shù)。該成果通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學(xué)過程，與電化學(xué)反應(yīng)巧妙結(jié)合，建立了相變遷移驅(qū)動的海水直接電解制氫理論模型，揭示了微米級氣隙通路下界面壓力差對海水自發(fā)相變傳質(zhì)的影響機制，形成了電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定電解制氫方法，破解了有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀難題。
謝和平院士團隊研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備，在深圳灣海水中連續(xù)運行超過3200小時，從海水中實現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)?；茪溥^程。
羅賽告訴記者，在技術(shù)難點上，謝和平院士團隊取得了可喜的成果，目前還只是實驗成果，離工程化還有一定距離，工程化需要考慮經(jīng)濟性問題。
