替代石油只是时间问题？海水直接电解制氢被攻克

如果占地球表面面积超七成的海水能变成取之不尽的「氢矿」，氢能的低成本产出还算问题吗？

能源绿色转型背景下，用水甚至海水制氢早已不是噱头。先说电解水制氢，这个大家比较熟悉，如果是以太阳能、风能等可再生能源进行电解水制氢，那么从环保的角度讲就是纯纯的「绿氢」，即在氢能制取过程中不新增碳排放。

但电解水制氢在现实应用中有非常明显的缺陷，那就是耗电、耗水量太大。国盛证券分析师杨润思在最新的行业研报中指出，很多电解水制氢目前用的是淡水和工业用电，主要的成本就是电力和设备，其中电费能占到七成以上，如果按照0.15元/kWh的电价计算，电解水制氢成本为13.1元/kg——比从煤炭、石油等化石燃料以及工业副产品中制取氢气（灰氢）要更贵。

同时，制取单公斤氢气要消耗10公斤淡水，而淡水本就是稀缺资源，在当今世界还有多个地区面临着淡水资源短缺问题的时候，传统的电解水制氢法注定难以长期、稳定地推广。利用海水以及海上风电制氢的技术路线应运而生。

今年六月末，国内首次实现了海上风电可再生能源和海水直接电解制氢的一体化，这一项目的主导者正是曾在两年前公开颠覆性「海水直接制氢」全新原理与技术的中国工程院院士谢和平团队。这个一体化项目即规避了对淡水或纯水的依赖，也降低了过程中的能耗，制出来的氢气纯度能达到99.9%至99.99%区间，海水杂质离子阻隔率高达99.99%以上，十分可观。

从产业的角度看，这个成果又是一个不小的里程碑。对于能源转型来说，目前获得绿氢的唯一途径就是利用光伏和风电来制取氢气，能实现低成本制取绿氢，是构建海洋绿氢产业体系的第一步。那么具体从技术上看，其颠覆性又体现在哪里？

以往的海水制氢技术，其实还是先把海水淡化形成高纯度淡水，再以电解水制氢的方式制氢。 华北电力大学能源动力与机械工程学院教授杨立军告诉记者，一般电解水制氢有三个主要的技术路线：碱性电解水制氢（ALK）技术、质子交换膜电解水制氢（PEM）技术和固体氧化物电解水制氢（SOEC）技术。

其中碱性电解水制氢技术，是国内最早实现工业化的电解水制氢技术，相对来说是最成熟也是最普及的，但是它的问题也很突出，就是产氢效率低、能耗高且有污染，容易发生碱腐蚀；质子交换膜路线是欧美国家和日本比较青睐的，它的优点是效率高、无污染，但是所需要的关键设备我国目前还需要进口，成本颇高。我们之前的文章中曾多次提到过氢能燃料电池，其实工作原理和这两个技术路线很像，只不过是倒反过来。

在新能源业内人士看来，碱性电解水制氢技术在我国仍然是可行性最高的，因为无论是固体氧化物电解还是质子交换膜电解，都属于技术成熟度低、成本偏高的路线，「质子交换膜电解相比碱性电解，寿命只有后者的三分之一，而成本高出三倍」。

此外，我们还要简单介绍一下在电解水制氢中一个关键的零部件：电解槽，也是我国氢能产业发展的硬件优势。电解槽会将水在直流电的作用下电解成氢气和氧气，它是电解水制氢的核心设备，也是除电费外另一个较大的成本支出。不过这个氢能行业发展的关键设备最大的产能，就在我国。

虽然欧盟在能源转换政策上领先，但实际操作上，中国反倒是部署应用最快的。根据国际能源署（IEA）公布数据，2022年中国电解槽产能在全球的占比提升了约30个百分点，从之前的两成跳涨到近六成；2024年，我国电解槽年产能将达13.1吉瓦时，欧洲为10吉瓦时，印度和北美分别为4.3吉瓦时、3.1吉瓦时。同时标普全球智库预计，尽管其他国家或地区的电解槽制造产能也在上升，但至少在2025年以前，我国都会至少保持全球一半的产能占比。

不过把上述电解水制氢技术应用于海水中时，都会多出一个淡化海水的步骤，杨立军指出，先淡化后制氢被称为「间接海水制氢」，严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占地面积大，提高了制氢成本与工程难度。而且淡化也会产生大量能耗，这样制取氢气未免有些本末倒置。

海水直接电解制氢，顾名思义，是指以海水作为原料，通过选择性渗透阻挡层等方式阻隔杂质，再通过电解水制氢或光解水制氢方式制取氢气。

以前不是没有研究人员想过这个路径，但海水成分复杂，含有数十种离子、不溶性固体以及微生物等，且不同地区的海水成本含量也各有不同。如果直接电解，这些杂质一方面会腐蚀电解槽和催化剂，导致其耐久性变差；另一方面也会堵塞电极或隔膜，产生析氯反应，进而产生催化剂失活等问题，也有研究人员尝试给电解系统添加缓冲溶剂，改变酸碱度，但都还处于实验室阶段。

谢和平团队的另辟蹊径之处在于，其将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应结合，提出一种基于相变迁移驱动的海水原位净化直接电解制氢技术。简单来说，就是先设计一种特殊的防水透气隔膜，再利用海水与电解质之间的水蒸气压力差，使海水里的水蒸气被电解质吸收，之后就是电解槽正常工作的阶段了。

这个过程和前面提到的间接制取是不一样的，杨立军解释，这个技术相当于通过自然的压差从海水中「吸出」水分子，在反应过程中也不是单纯的淡水，而是有电解质参与反应的存在。此外，通过合理设计催化剂的结构组成、采取合适的抗腐蚀策略，这一技术也可以推广到其他海域，解决方案很开放。

目前，谢和平团队这项无淡化过程、无副反应、无额外能耗的制氢技术已经在深圳湾、兴化湾中稳定运行，再加上我国充足的风光产能、全球最低的制氢设备成本，无一不是为仍处在初期阶段的氢能产业夯实基础。