海水电解水制氢技术与商业化

　　水是一种充足的自然资源，其约占地球表面的71%。其中，海水占地球全部水量的96.5%，与淡水不同，其成分非常复杂，涉及的化学物质及元素有92种。海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等杂质，会导致制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题。

　　为此，以海水为原料制氢形成了海水直接制氢和海水间接制氢两种不同的技术路线。海水直接制氢的路线主要通过电解水制氢或光解水制氢方式制取，全球主要研究机构有中国科学院、法国国家科学研究中心、日本东北工业大学、北京化工大学、印度科学工业研究理事会、美国休斯敦大学等; 海水间接制氢则是将海水先淡化形成高纯度淡水再制氢，即海水淡化技术与电解、光解、热解等水解制氢技术的结合。

　　电解水技术商业上存在的两种电解技术是碱性电解和质子交换膜(PEM)系统。碱性电解是一种成熟的商业技术，但在上世纪70年代天然气和SMR用于氢气生产时，这些电解槽几乎全部退役。

　　碱性电解槽的特点是避免了珍贵的催化剂，资本成本更低。而碱性电解系统在高效率(~55-70% LHV)、低电流密度(<0.45 A/cm)和低操作压力(<30 bar)会对系统和制氢成本产生副作用。

　　此外，碱性电解槽的动态运行(频繁启动和变化的电源输入)可能对效率和气体纯度产生负面影响。

　　PEM电解是由Grubb在50年代早期首创的，通用电气公司在60年代领导开发，以克服碱性电解的缺点。PEM系统以纯水作为电解液，避免了碱性电解液中必需的腐蚀性氢氧化钾电解液的回收和循环。

　　到目前，由于PEM系统的紧凑设计，高系统效率，快速响应，动态操作，低温和在高压下产生超纯氢的能力，PEM在过去几年中电解槽堆成本大幅度降低，预计到2030年将成为可持续制氢的主导技术。

　　海水电解既可以通过氯氧化法生产氯，也可以通过水氧化产生氧。尽管氯是一种有价值的化学品，但不断增长的氢市场生产的数量将远远超过全球对Cl的需求。因此，研究选择性析氧的阳极催化剂是目前的主要挑战。

　　此外，海水中存在碳酸盐和硼酸盐离子，但它们的平均浓度太低，无法维持高电流密度。再者，由于海水本质上是一种非缓冲电解质，在电解过程中会导致电极表面附近的pH值发生变化(高达5-9个pH单位)，导致盐沉淀、催化剂和电极降解其他离子、细菌、微生物和小颗粒的可能性，这些限制了催化剂和膜的长期稳定性。

　　因此，在达到工业级的电流密度的前提下，大多数报告使用了海水与硼酸盐缓冲液或KOH等添加剂。

　　尽管在直接电解海水这项技术上投入了大量资源和努力，但直接海水分离技术仍处于起步阶段，距离商业化还很遥远。

　　氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，对构建清洁减排安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标，具有重要意义。随着国家对氢能源不断加大支持，目前，全国范围内已建成多所氢能实验室，进行氢能全产业链的研究，包含制氢技术、燃料电池技术、海水直接制氢技术、可再生能源深度耦合等等。深圳大学，清华大学，华北电力大学等多所高校均表示氢能的未来发展潜力巨大，已积极参与氢能源相关项目开发和技术重点攻关。

　　绿氢作为氢能源中“零碳”能源的代表性技术，目前备受瞩目。水电解制氢，作为绿氢生产的最可行方式，是通过电解水来分离氢气和氧气，过程中可以做到完全清洁，无污染。为了加快绿氢的能源效率，减少能源消耗，国内多家可再生能源企业正在对商业化电解制氢设备进行研发和升级，也针对新课题加快研发脚步，希望在提高制氢效率的同时，完成氢能产业规模经济性的优化提升。其中南通安思卓新能源有限公司作为世界上最早从事海水制氢的企业之一，于2022年初供应深圳大学深地科学与绿色能源研究院一台科研用制氢设备进行海水直接制氢的商业化应用，积极助力深圳大学谢和平院士团队更有效的进行绿氢技术、海水能源化利用与低碳技术的研发、推广和使用。此设备的特点为占地面积极小，集成化程度高，制氢效率高，操作安装简单，运输部署便捷，由全自动系统控制，涵盖精密监测设备，可有效实现安全可靠的氢气生产。

　　海水电解制氢的突破对于海上风电制氢具有里程碑得意义，海上风电通过电解海水制取氢气，运输上可以利用天然气管道和运输船，降低了运输运营成本，节约了资源;海上风电制氢还可以消耗陆上电能并借助风电制氢建立风电氢能源联合系统，最终有效解决陆上电网负担过重的问题;海上风电制氢技术作为一种新型的储能方式，发展潜能巨大。