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2025年9月18日-20日 | 北京·全國農業展覽館(新館)

September 18-20 2025 | Beijing CIAE China

科技部立項!2024年海水制氫還要克服哪些挑戰?

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日前,由深圳清華大學研究院與西南石油大學、中國海油、航天科工、北京化工大學、中科院寧波材料研究所、中國科學技術大學等多家單位共同申報的國家重點研發計劃“氫能技術”重點專項項目“兆瓦級抗波動直接電解海水制氫關鍵技術研究與裝備集成應用”獲得科技部立項,項目負責人由西南石油大學化學化工學院教授、深圳清華大學研究院兼職教授唐鋆磊擔任。

該項目針對海水淡化再制氫面臨的系統復雜、流程長、維護難等問題,開展耐腐蝕電極、耐鹽高性能關鍵堆疊材料、抗波動電解工藝技術等關鍵技術研究,開發出能長時間示范運行的兆瓦級直接電解海水制氫系統。項目執行期3年(2023.12-2026.11),總經費(含配套)超過5000萬元。

這是科技部立項的第一個直接電解海水制氫共性技術類項目,對推動我國海上新能源領域的技術創新具有重大意義。業內專家認為,項目成果將有力推動我國氫能技術發展,培養氫能相關科技人才,鞏固我國在直接電解海水制氫技術領域的全球領先地位。

國家重點研發計劃主要針對國家安全、自主創新能力、產業核心競爭力和社會公益等戰略性、基礎性、前瞻性重大科學問題、重大共性關鍵技術和產品開展研究,為國民經濟和社會發展主要領域提供持續性的支撐和引領。

海水制氫還需要克服哪些挑戰?

近年來,隨著全球可再生能源的快速發展,海上風電因具備風能資源豐富、穩定、不受地形限制等優點迎來快速增長。利用海上風電制氫兼具解決電力消納和制備規模化綠氫資源的優點,對實現“雙碳”目標具有重要意義。

海洋這個水體是巨大的資源,蘊藏了大量的海水資源。它包含了地球上所有的化學元素,包括鈣離子、鎂離子、鋰離子、鈉離子等等。海水是流動的,是全球共享的一種資源。如果海水能夠直接制氫的話,就會為全人類提供取之不竭的氫氣和氫能。
此前,中國工程院院士、深圳大學深地科學與能源研究院院長謝和平在公開節目中表示:“海水制氫把海水資源轉變為我們人類所需要的綠色能源,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鍵,全球都在關注這個來搶占海上風能、風電的大的市場領域。因為我們大力發展海上的可再生能源,包括風電、光伏,怎么消納是一個大問題,如果海水來制氫,可對接海上的這些可再生能源,就完全破解了可再生能源大規模開發的、吸納的重要的一個載體。海水制氫也是海洋可再生能源一個大規模、長時效儲能的一個重要手段。所以海水制氫具有重要的意義,是全球未來人類能源重要的一個方向和路徑,在未來的重大能源里面占有非常重要的角色和地位。”
事實上,海水制氫產業輻射能力強、帶動面廣,在技術、裝備上都走在能源產業前沿,在引領新一輪的綠色能源變革的同時,還將橫向聯動、縱向拉動海水淡化、海上清潔能源、海上氫能新基建等產業發展,開拓新需求、新空間。比如,按照電解1噸水會獲得111千克氫氣反算,對海水淡化需求可達225.23萬噸。根據海水淡化成本5元每噸來計算,到2025年海水制氫將拉動海水淡化工程約1126.13萬元的產值。
國際能源署預測到2050年全球氫年需求量約近3億噸,到2070年達到5.2億噸。在氫能需求側龐大規模的拉動下,加之技術和產業化層面的不斷突破,海水制氫產業即將爆發。
2023年,國內海水制氫技術與項目突破音訊頻傳,海水制氫產業開始“發力”,國內企業加快在海水制氫領域的布局。
在此前的采訪中,蘇州希倍優氫能源科技有限公司總經理李留罐表示,總體來看,海水制氫正在嘗試從實驗室邁向產業化道路。海上風電與海水淡化、氫能等多種能源綜合開發利用融合發展,有助于實現海域利用效率和制氫規模化生產的雙重提升,是電解水制氫產業的重要發展方向。
那么,2024年,展望未來發展,海水制氫還需要克服哪些挑戰?
從技術路線來看,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。從目前國內外海水制氫示范項目來看,業內已經逐漸由原來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展前景的制氫技術,主要有兩大優勢:
  • 一方面,海上制氫平臺可作為能源的長期儲存或精細化學品的生產場所,能讓綠色能源與化工生產系統緊密結合;
  • 另一方面,海上制氫平臺也可以解決深遠海可再生電力消納問題,利用可再生電力就地制氫、制綠氨,或許會成為未來深遠海可再生能源的主要應用方式。
當然,直接海水制氫還面臨諸多的技術難題,例如海水電解制氫除高能耗外,更面臨海水復雜化學環境帶來的額外巨大挑戰,要想將其推向規模化商用,還有較遠一段路要走。
具體來看,海水制氫主要面臨著三大關鍵性挑戰:
  • 其一,海水對電解槽的腐蝕。海水的成分復雜,如溶解的離子(比如Cl-)、細菌、雜質等,會對電解槽部件產生腐蝕;
  • 其二,海水中雜質會導致催化劑失活。雜質會在離子交換膜和催化劑表面的沉積黏附(比如Ca2+/Mg2+沉淀物),導致離子通道以及催化活性位點的堵塞,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,在電解過程中其傳質速率緩慢,使得電解效率較低。
如何克服這些挑戰?業內已有科研團隊提出了解決方案并對其進行了驗證。
例如,中國工程院院士謝和平及其科研團隊從物理力學與電化學相結合的全新思路,創造性地開創的“全新原理實現海水直接電解制氫”研究成果入選科技部“2022年度中國科學十大進展”。該技術在隔絕海水離子同時能實現了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫。其實驗團隊已經在深圳灣海水中連續運行超3200小時,從海水中實現了穩定和規模化制氫過程。
華中科技大學材料學院李箐教授、王譚源副教授團隊設計了一種Na+交換膜分隔的pH不對稱電解槽,Na+交換膜可以阻止天然海水中的Cl-向陽極運輸,從而避免了競爭性的Cl-氧化,實現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隊則是在先后攻克催化劑、電極反應過程、電極設計、電解液調節等系列關鍵科學技術問題之后,設計集成的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小時連續穩定運行。
總體上看,海水制氫的核心技術屏障已經基本攻克,如何提升這項技術可靠性和穩定性、降低其規模化生產的成本等問題仍然需要解決。
不過未來,在市場驅動、政策支持下,隨著技術的不斷突破以及海水制氫產業鏈制氫、儲運氫、用氫等環節不斷擴大與完善,海水制氫的發展將為相關產業的發展帶來廣闊的空間,輻射帶動海水淡化、電解槽、海洋清潔能源、海洋能、海工裝備、海上交通等領域的發展,產生巨大的經濟效益。
來源氫能前沿


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