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科技部立项！2024年海水制氢还要克服哪些挑战？

日前，由深圳清华大学研究院与西南石油大学、中国海油、航天科工、北京化工大学、中科院宁波材料研究所、中国科学技术大学等多家单位共同申报的国家重点研发计划“氢能技术”重点专项项目“兆瓦级抗波动直接电解海水制氢关键技术研究与装备集成应用”获得科技部立项，项目负责人由西南石油大学化学化工学院教授、深圳清华大学研究院兼职教授唐鋆磊担任。

该项目针对海水淡化再制氢面临的系统复杂、流程长、维护难等问题，开展耐腐蚀电极、耐盐高性能关键堆叠材料、抗波动电解工艺技术等关键技术研究，开发出能长时间示范运行的兆瓦级直接电解海水制氢系统。项目执行期3年（2023.12-2026.11），总经费（含配套）超过5000万元。

这是科技部立项的第一个直接电解海水制氢共性技术类项目，对推动我国海上新能源领域的技术创新具有重大意义。业内专家认为，项目成果将有力推动我国氢能技术发展，培养氢能相关科技人才，巩固我国在直接电解海水制氢技术领域的全球领先地位。

国家重点研发计划主要针对国家安全、自主创新能力、产业核心竞争力和社会公益等战略性、基础性、前瞻性重大科学问题、重大共性关键技术和产品开展研究，为国民经济和社会发展主要领域提供持续性的支撑和引领。

海水制氢还需要克服哪些挑战？

近年来，随着全球可再生能源的快速发展，海上风电因具备风能资源丰富、稳定、不受地形限制等优点迎来快速增长。利用海上风电制氢兼具解决电力消纳和制备规模化绿氢资源的优点，对实现“双碳”目标具有重要意义。

海洋这个水体是巨大的资源，蕴藏了大量的海水资源。它包含了地球上所有的化学元素，包括钙离子、镁离子、锂离子、钠离子等等。海水是流动的，是全球共享的一种资源。如果海水能够直接制氢的话，就会为全人类提供取之不竭的氢气和氢能。

此前，中国工程院院士、深圳大学深地科学与能源研究院院长谢和平在公开节目中表示：“海水制氢把海水资源转变为我们人类所需要的绿色能源，完全可以造福人类，海水制氢也是海上可再生能源破局的关键，全球都在关注这个来抢占海上风能、风电的大的市场领域。因为我们大力发展海上的可再生能源，包括风电、光伏，怎么消纳是一个大问题，如果海水来制氢，可对接海上的这些可再生能源，就完全破解了可再生能源大规模开发的、吸纳的重要的一个载体。海水制氢也是海洋可再生能源一个大规模、长时效储能的一个重要手段。所以海水制氢具有重要的意义，是全球未来人类能源重要的一个方向和路径，在未来的重大能源里面占有非常重要的角色和地位。”

事实上，海水制氢产业辐射能力强、带动面广，在技术、装备上都走在能源产业前沿，在引领新一轮的绿色能源变革的同时，还将横向联动、纵向拉动海水淡化、海上清洁能源、海上氢能新基建等产业发展，开拓新需求、新空间。比如，按照电解1吨水会获得111千克氢气反算，对海水淡化需求可达225.23万吨。根据海水淡化成本5元每吨来计算，到2025年海水制氢将拉动海水淡化工程约1126.13万元的产值。

国际能源署预测到2050年全球氢年需求量约近3亿吨，到2070年达到5.2亿吨。在氢能需求侧庞大规模的拉动下，加之技术和产业化层面的不断突破，海水制氢产业即将爆发。

2023年，国内海水制氢技术与项目突破音讯频传，海水制氢产业开始“发力”，国内企业加快在海水制氢领域的布局。

在此前的采访中，苏州希倍优氢能源科技有限公司总经理李留罐表示，总体来看，海水制氢正在尝试从实验室迈向产业化道路。海上风电与海水淡化、氢能等多种能源综合开发利用融合发展，有助于实现海域利用效率和制氢规模化生产的双重提升，是电解水制氢产业的重要发展方向。

那么，2024年，展望未来发展，海水制氢还需要克服哪些挑战？

从技术路线来看，海水制氢可分为海水直接制氢和海水间接制氢两种不同的路径。从目前国内外海水制氢示范项目来看，业内已经逐渐由原来的采用将海水淡化电解制氢的间接制氢路线，向海水直接制氢深处探索。

海水制氢作为极具发展前景的制氢技术，主要有两大优势：

一方面，海上制氢平台可作为能源的长期储存或精细化学品的生产场所，能让绿色能源与化工生产系统紧密结合；
另一方面，海上制氢平台也可以解决深远海可再生电力消纳问题，利用可再生电力就地制氢、制绿氨，或许会成为未来深远海可再生能源的主要应用方式。

当然，直接海水制氢还面临诸多的技术难题，例如海水电解制氢除高能耗外，更面临海水复杂化学环境带来的额外巨大挑战，要想将其推向规模化商用，还有较远一段路要走。

具体来看，海水制氢主要面临着三大关键性挑战：

其一，海水对电解槽的腐蚀。海水的成分复杂，如溶解的离子（比如Cl-）、细菌、杂质等，会对电解槽部件产生腐蚀；
其二，海水中杂质会导致催化剂失活。杂质会在离子交换膜和催化剂表面的沉积黏附（比如Ca2+/Mg2+沉淀物），导致离子通道以及催化活性位点的堵塞，使得催化剂快速失活；
其三，海水电解效率低。海水中的氢离子以及氢氧根离子浓度很低，在电解过程中其传质速率缓慢，使得电解效率较低。

如何克服这些挑战？业内已有科研团队提出了解决方案并对其进行了验证。

例如，中国工程院院士谢和平及其科研团队从物理力学与电化学相结合的全新思路，创造性地开创的“全新原理实现海水直接电解制氢”研究成果入选科技部“2022年度中国科学十大进展”。该技术在隔绝海水离子同时能实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的高效海水原位直接电解制氢。其实验团队已经在深圳湾海水中连续运行超3200小时，从海水中实现了稳定和规模化制氢过程。

华中科技大学材料学院李箐教授、王谭源副教授团队设计了一种Na+交换膜分隔的pH不对称电解槽，Na+交换膜可以阻止天然海水中的Cl-向阳极运输，从而避免了竞争性的Cl-氧化，实现了低电压下的直接海水电解制氢。

大连化物所的王二东研究员团队则是在先后攻克催化剂、电极反应过程、电极设计、电解液调节等系列关键科学技术问题之后，设计集成的1Nm3/h直接电解海水制氢装置，采用大连海域自然海水为原料水，已完成2000小时连续稳定运行。

总体上看，海水制氢的核心技术屏障已经基本攻克，如何提升这项技术可靠性和稳定性、降低其规模化生产的成本等问题仍然需要解决。

不过未来，在市场驱动、政策支持下，随着技术的不断突破以及海水制氢产业链制氢、储运氢、用氢等环节不断扩大与完善，海水制氢的发展将为相关产业的发展带来广阔的空间，辐射带动海水淡化、电解槽、海洋清洁能源、海洋能、海工装备、海上交通等领域的发展，产生巨大的经济效益。

来源丨氢能前沿

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