替代石油只是時間問題？海水直接電解制氫被攻克

如果占地球表面面積超七成的海水能變成取之不盡的「氫礦」，氫能的低成本產出還算問題嗎？

能源綠色轉型背景下，用水甚至海水製氫早已不是噱頭。先說電解水製氫，這個大家比較熟悉，如果是以太陽能、風能等可再生能源進行電解水製氫，那麽從環保的角度講就是純純的「綠氫」，即在氫能制取過程中不新增碳排放。

但電解水製氫在現實套用中有非常明顯的缺陷，那就是耗電、耗水量太大。國盛證券分析師楊潤思在最新的行業研報中指出，很多電解水製氫目前用的是淡水和工業用電，主要的成本就是電力和器材，其中電費能占到七成以上，如果按照0.15元/kWh的電價計算，電解水製氫成本為13.1元/kg——比從煤炭、石油等化石燃料以及工業副產品中制取氫氣（灰氫）要更貴。

同時，制取單公斤氫氣要消耗10公斤淡水，而淡水本就是稀缺資源，在當今世界還有多個地區面臨著淡水資源短缺問題的時候，傳統的電解水製氫法註定難以長期、穩定地推廣。利用海水以及海上風電制氫的技術路線應運而生。

今年六月末，國內首次實作了海上風電可再生能源和海水直接電解制氫的一體化，這一專案的主導者正是曾在兩年前公開顛覆性「海水直接制氫」全新原理與技術的中國工程院院士謝和平團隊。這個一體化專案即規避了對淡水或純水的依賴，也降低了過程中的能耗，制出來的氫氣純度能達到99.9%至99.99%區間，海水雜質離子阻隔率高達99.99%以上，十分可觀。

從產業的角度看，這個成果又是一個不小的裏程碑。對於能源轉型來說，目前獲得綠氫的唯一途徑就是利用光伏和風電來制取氫氣，能實作低成本制取綠氫，是構建海洋綠氫產業體系的第一步。那麽具體從技術上看，其顛覆性又體現在哪裏？

以往的海水製氫技術，其實還是先把海水淡化形成高純度淡水，再以電解水製氫的方式制氫。 華北電力大學能源動力與機械工程學院教授楊立軍告訴記者，一般電解水製氫有三個主要的技術路線：堿性電解水製氫（ALK）技術、質子交換膜電解水製氫（PEM）技術和固體氧化物電解水製氫（SOEC）技術。

其中堿性電解水製氫技術，是國內最早實作工業化的電解水製氫技術，相對來說是最成熟也是最普及的，但是它的問題也很突出，就是產氫效率低、能耗高且有汙染，容易發生堿腐蝕；質子交換膜路線是歐美國家和日本比較青睞的，它的優點是效率高、無汙染，但是所需要的關鍵器材中國目前還需要進口，成本頗高。我們之前的文章中曾多次提到過氫能燃料電池，其實工作原理和這兩個技術路線很像，只不過是倒反過來。

在新能源業內人士看來，堿性電解水製氫技術在中國仍然是可行性最高的，因為無論是固體氧化物電解還是質子交換膜電解，都屬於技術成熟度低、成本偏高的路線，「質子交換膜電解相比堿性電解，壽命只有後者的三分之一，而成本高出三倍」。

此外，我們還要簡單介紹一下在電解水製氫中一個關鍵的零部件：電解槽，也是中國氫能產業發展的硬件優勢。電解槽會將水在直流電的作用下電解成氫氣和氧氣，它是電解水製氫的核心器材，也是除電費外另一個較大的成本支出。不過這個氫能行業發展的關鍵器材最大的產能，就在中國。

雖然歐盟在能源轉換政策上領先，但實際操作上，中國反倒是部署套用最快的。根據國際能源署（IEA）公布數據，2022年中國電解槽產能在全球的占比提升了約30個百分點，從之前的兩成跳漲到近六成；2024年，中國電解槽年產能將達13.1吉瓦時，歐洲為10吉瓦時，印度和北美分別為4.3吉瓦時、3.1吉瓦時。同時標普全球智庫預計，盡管其他國家或地區的電解槽制造產能也在上升，但至少在2025年以前，中國都會至少保持全球一半的產能占比。

不過把上述電解水製氫技術套用於海水中時，都會多出一個淡化海水的步驟，楊立軍指出，先淡化後制氫被稱為「間接海水製氫」，嚴重依賴大規模淡化器材，工藝流程復雜且占地面積大，提高了制氫成本與工程難度。而且淡化也會產生大量能耗，這樣制取氫氣未免有些本末倒置。

海水直接電解制氫，顧名思義，是指以海水作為原料，透過選擇性滲透阻擋層等方式阻隔雜質，再透過電解水製氫或光解水製氫方式制取氫氣。

以前不是沒有研究人員想過這個路徑，但海水成分復雜，含有數十種離子、不溶性固體以及微生物等，且不同地區的海水成本含量也各有不同。如果直接電解，這些雜質一方面會腐蝕電解槽和催化劑，導致其耐久性變差；另一方面也會堵塞電極或隔膜，產生析氯反應，進而產生催化劑失活等問題，也有研究人員嘗試給電解系統添加緩沖溶劑，改變酸堿度，但都還處於實驗室階段。

謝和平團隊的另辟蹊徑之處在於，其將分子擴散、界面相平衡等物理力學過程與電化學反應結合，提出一種基於相變遷移驅動的海水原位凈化直接電解制氫技術。簡單來說，就是先設計一種特殊的防水透氣隔膜，再利用海水與電解質之間的水蒸氣壓力差，使海水裏的水蒸氣被電解質吸收，之後就是電解槽正常工作的階段了。

這個過程和前面提到的間接制取是不一樣的，楊立軍解釋，這個技術相當於透過自然的壓差從海水中「吸出」水分子，在反應過程中也不是單純的淡水，而是有電解質參與反應的存在。此外，透過合理設計催化劑的結構組成、采取合適的抗腐蝕策略，這一技術也可以推廣到其他海域，解決方案很開放。

目前，謝和平團隊這項無淡化過程、無副反應、無額外能耗的制氫技術已經在深圳灣、興化灣中穩定執行，再加上中國充足的風光產能、全球最低的制氫器材成本，無一不是為仍處在初期階段的氫能產業夯實基礎。