日前，由深圳清華大學(xué)研究院與西南石油大學(xué)、中國(guó)海油、航天科工、北京化工大學(xué)、中科院寧波材料研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等多家單位共同申報(bào)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目“兆瓦級(jí)抗波動(dòng)直接電解海水制氫關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備集成應(yīng)用”獲得科技部立項(xiàng)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人由西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、深圳清華大學(xué)研究院兼職教授唐鋆磊擔(dān)任。
該項(xiàng)目針對(duì)海水淡化再制氫面臨的系統(tǒng)復(fù)雜、流程長(zhǎng)、維護(hù)難等問(wèn)題，開展耐腐蝕電極、耐鹽高性能關(guān)鍵堆疊材料、抗波動(dòng)電解工藝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)出能長(zhǎng)時(shí)間示范運(yùn)行的兆瓦級(jí)直接電解海水制氫系統(tǒng)。項(xiàng)目執(zhí)行期3年（2023.12-2026.11），總經(jīng)費(fèi)（含配套）超過(guò)5000萬(wàn)元。
這是科技部立項(xiàng)的第一個(gè)直接電解海水制氫共性技術(shù)類項(xiàng)目，對(duì)推動(dòng)我國(guó)海上新能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新具有重大意義。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，項(xiàng)目成果將有力推動(dòng)我國(guó)氫能技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)氫能相關(guān)科技人才，鞏固我國(guó)在直接電解海水制氫技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位。
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃主要針對(duì)國(guó)家安全、自主創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力和社會(huì)公益等戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、前瞻性重大科學(xué)問(wèn)題、重大共性關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品開展研究，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展主要領(lǐng)域提供持續(xù)性的支撐和引領(lǐng)。
海水制氫還需要克服哪些挑戰(zhàn)？
近年來(lái)，隨著全球可再生能源的快速發(fā)展，海上風(fēng)電因具備風(fēng)能資源豐富、穩(wěn)定、不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)迎來(lái)快速增長(zhǎng)。利用海上風(fēng)電制氫兼具解決電力消納和制備規(guī)?；G氫資源的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。
海洋這個(gè)水體是巨大的資源，蘊(yùn)藏了大量的海水資源。它包含了地球上所有的化學(xué)元素，包括鈣離子、鎂離子、鋰離子、鈉離子等等。海水是流動(dòng)的，是全球共享的一種資源。如果海水能夠直接制氫的話，就會(huì)為全人類提供取之不竭的氫氣和氫能。此前，中國(guó)工程院院士、深圳大學(xué)深地科學(xué)與能源研究院院長(zhǎng)謝和平在公開節(jié)目中表示：“海水制氫把海水資源轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀內(nèi)祟愃枰木G色能源，完全可以造福人類，海水制氫也是海上可再生能源破局的關(guān)鍵，全球都在關(guān)注這個(gè)來(lái)?yè)屨己Ｉ巷L(fēng)能、風(fēng)電的大的市場(chǎng)領(lǐng)域。因?yàn)槲覀兇罅Πl(fā)展海上的可再生能源，包括風(fēng)電、光伏，怎么消納是一個(gè)大問(wèn)題，如果海水來(lái)制氫，可對(duì)接海上的這些可再生能源，就完全破解了可再生能源大規(guī)模開發(fā)的、吸納的重要的一個(gè)載體。海水制氫也是海洋可再生能源一個(gè)大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)效儲(chǔ)能的一個(gè)重要手段。所以海水制氫具有重要的意義，是全球未來(lái)人類能源重要的一個(gè)方向和路徑，在未來(lái)的重大能源里面占有非常重要的角色和地位?！?/span>事實(shí)上，海水制氫產(chǎn)業(yè)輻射能力強(qiáng)、帶動(dòng)面廣，在技術(shù)、裝備上都走在能源產(chǎn)業(yè)前沿，在引領(lǐng)新一輪的綠色能源變革的同時(shí)，還將橫向聯(lián)動(dòng)、縱向拉動(dòng)海水淡化、海上清潔能源、海上氫能新基建等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，開拓新需求、新空間。比如，按照電解1噸水會(huì)獲得111千克氫氣反算，對(duì)海水淡化需求可達(dá)225.23萬(wàn)噸。根據(jù)海水淡化成本5元每噸來(lái)計(jì)算，到2025年海水制氫將拉動(dòng)海水淡化工程約1126.13萬(wàn)元的產(chǎn)值。國(guó)際能源署預(yù)測(cè)到2050年全球氫年需求量約近3億噸，到2070年達(dá)到5.2億噸。在氫能需求側(cè)龐大規(guī)模的拉動(dòng)下，加之技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化層面的不斷突破，海水制氫產(chǎn)業(yè)即將爆發(fā)。2023年，國(guó)內(nèi)海水制氫技術(shù)與項(xiàng)目突破音訊頻傳，海水制氫產(chǎn)業(yè)開始“發(fā)力”，國(guó)內(nèi)企業(yè)加快在海水制氫領(lǐng)域的布局。在此前的采訪中，蘇州希倍優(yōu)氫能源科技有限公司總經(jīng)理李留罐表示，總體來(lái)看，海水制氫正在嘗試從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化道路。海上風(fēng)電與海水淡化、氫能等多種能源綜合開發(fā)利用融合發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)海域利用效率和制氫規(guī)?；a(chǎn)的雙重提升，是電解水制氫產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。那么，2024年，展望未來(lái)發(fā)展，海水制氫還需要克服哪些挑戰(zhàn)？從技術(shù)路線來(lái)看，海水制氫可分為海水直接制氫和海水間接制氫兩種不同的路徑。從目前國(guó)內(nèi)外海水制氫示范項(xiàng)目來(lái)看，業(yè)內(nèi)已經(jīng)逐漸由原來(lái)的采用將海水淡化電解制氫的間接制氫路線，向海水直接制氫深處探索。海水制氫作為極具發(fā)展前景的制氫技術(shù)，主要有兩大優(yōu)勢(shì)：- 一方面，海上制氫平臺(tái)可作為能源的長(zhǎng)期儲(chǔ)存或精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)場(chǎng)所，能讓綠色能源與化工生產(chǎn)系統(tǒng)緊密結(jié)合；
- 另一方面，海上制氫平臺(tái)也可以解決深遠(yuǎn)?？稍偕娏ο{問(wèn)題，利用可再生電力就地制氫、制綠氨，或許會(huì)成為未來(lái)深遠(yuǎn)?？稍偕茉吹闹饕獞?yīng)用方式。
當(dāng)然，直接海水制氫還面臨諸多的技術(shù)難題，例如海水電解制氫除高能耗外，更面臨海水復(fù)雜化學(xué)環(huán)境帶來(lái)的額外巨大挑戰(zhàn)，要想將其推向規(guī)模化商用，還有較遠(yuǎn)一段路要走。具體來(lái)看，海水制氫主要面臨著三大關(guān)鍵性挑戰(zhàn)：- 其一，海水對(duì)電解槽的腐蝕。海水的成分復(fù)雜，如溶解的離子（比如Cl-）、細(xì)菌、雜質(zhì)等，會(huì)對(duì)電解槽部件產(chǎn)生腐蝕；
- 其二，海水中雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致催化劑失活。雜質(zhì)會(huì)在離子交換膜和催化劑表面的沉積黏附（比如Ca2+/Mg2+沉淀物），導(dǎo)致離子通道以及催化活性位點(diǎn)的堵塞，使得催化劑快速失活；
- 其三，海水電解效率低。海水中的氫離子以及氫氧根離子濃度很低，在電解過(guò)程中其傳質(zhì)速率緩慢，使得電解效率較低。
如何克服這些挑戰(zhàn)？業(yè)內(nèi)已有科研團(tuán)隊(duì)提出了解決方案并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。例如，中國(guó)工程院院士謝和平及其科研團(tuán)隊(duì)從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，創(chuàng)造性地開創(chuàng)的“全新原理實(shí)現(xiàn)海水直接電解制氫”研究成果入選科技部“2022年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。該技術(shù)在隔絕海水離子同時(shí)能實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)、無(wú)額外能耗的高效海水原位直接電解制氫。其實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在深圳灣海水中連續(xù)運(yùn)行超3200小時(shí)，從海水中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)?；茪溥^(guò)程。華中科技大學(xué)材料學(xué)院李箐教授、王譚源副教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種Na+交換膜分隔的pH不對(duì)稱電解槽，Na+交換膜可以阻止天然海水中的Cl-向陽(yáng)極運(yùn)輸，從而避免了競(jìng)爭(zhēng)性的Cl-氧化，實(shí)現(xiàn)了低電壓下的直接海水電解制氫。大連化物所的王二東研究員團(tuán)隊(duì)則是在先后攻克催化劑、電極反應(yīng)過(guò)程、電極設(shè)計(jì)、電解液調(diào)節(jié)等系列關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題之后，設(shè)計(jì)集成的1Nm3/h直接電解海水制氫裝置，采用大連海域自然海水為原料水，已完成2000小時(shí)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。總體上看，海水制氫的核心技術(shù)屏障已經(jīng)基本攻克，如何提升這項(xiàng)技術(shù)可靠性和穩(wěn)定性、降低其規(guī)?；a(chǎn)的成本等問(wèn)題仍然需要解決。不過(guò)未來(lái)，在市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、政策支持下，隨著技術(shù)的不斷突破以及海水制氫產(chǎn)業(yè)鏈制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫、用氫等環(huán)節(jié)不斷擴(kuò)大與完善，海水制氫的發(fā)展將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)廣闊的空間，輻射帶動(dòng)海水淡化、電解槽、海洋清潔能源、海洋能、海工裝備、海上交通等領(lǐng)域的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
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