中國智慧：讓“藍色氫礦”夢想成真

蘇更林

作為一種清潔高效的能源，氫能一向被認為是21世紀最理想的清潔能源。作為氫能的載體，氫氣在自然界幾乎并不存在，因此仍然是一種稀缺資源。我國謝和平院士團隊在海水直接電解制氫方面的突破，開啟了“藍色能源”的新時代，具有十分重要的意義。

氫能時代，久聞其聲未見其影

無處不在的氫，在宇宙演化進程中扮演了極其重要的角色。我們通常所說的氫能，指的是氫的化學能，即通過氫氣和氧氣發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的能量。氫能的明星地位源于其具有以下諸多優(yōu)勢。一是燃燒熱值高。氫氣的質量能量密度（單位質量所含的能量）遠高于煤炭、石油和天然氣等化石燃料，同時，氫氣是極好的傳熱載體，其燃點低、燃燒速度快、燃燒性能好。二是環(huán)保性能好。作為一種零碳燃料，氫氣本身無毒，一般產(chǎn)物只有水，不會污染環(huán)境，燃燒產(chǎn)生的水還可以再次制氫，因此可以循環(huán)使用。三是儲量豐富。浩瀚的海洋是氫元素的“大本營”，因此，氫資源十分豐富，甚至是取之不盡、用之不竭的。

氫能在航天和交通等領域的應用，開啟了人類氫能利用的新篇章，但人們一直呼喚的“氫能時代”并未如期而至。為什么“氫能時代”久聞其聲未見其影呢？這是由氫的理化特性以及產(chǎn)業(yè)化程度決定的。

我們所期盼的“氫能時代”，是以氫能的大規(guī)模利用為主要標志的。氫能的大規(guī)模利用，則受制于氫能產(chǎn)業(yè)的完善程度，主要分為氫氣制取、儲運和終端使用三大環(huán)節(jié)。

氫元素雖然無處不在，但是氫氣仍是一種稀缺資源。這是因為氫的性質十分活潑，并且原子半徑極小，因此它在自然界一般是不能單獨存在的。這就是地球上的氫主要以化合物形式存在的原因。也就是說，我們不能像開采煤炭、石油和天然氣那樣開采出氫氣來就能用。氫氣的制取無疑是減緩“氫能時代”步伐的一大制約因素。

說起氫氣的儲運，這里的挑戰(zhàn)不小，主要是氫氣儲運的低安全性和低效率。氫氣易氣化、著火點低、易燃易爆，在空氣中的濃度達到4.0%～75.6%（體積分數(shù)）時遇火會爆炸。由于氣態(tài)氫氣體積密度極小，因此在儲運時必須進行壓縮。盡管提高壓縮比可以提高氫氣的儲運效率，但往往會加大安全風險，還會消耗更多的能源，同時也對儲運材料提出了更高的要求。

至于終端使用，氫能利用可以有多種形式，既可以通過燃燒來產(chǎn)生熱能，也可以作為燃料電池的原料加以利用。目前，氫燃料電池汽車仍是氫能應用的主要途徑。未來，氫能的應用將會十分廣泛，可在交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)、能量傳輸、電網(wǎng)儲能等領域發(fā)揮重要作用。在氫能的整個產(chǎn)業(yè)鏈條中，目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)育尚不完善，某些關鍵技術還需要突破，因此需要不斷打通堵點，助推氫能產(chǎn)業(yè)落地生根。

藍色海洋，氫的“大本營”

作為一種二次能源，氫氣突破制造關是大規(guī)模應用的基礎。關于氫氣的制造，可以有多種原料技術路線。傳統(tǒng)的氫氣制造大多以煤炭、石油、天然氣等化石能源為原料，也可以用焦化、氯堿、鋼鐵、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氣來制取氫氣。

不同的原料來源和制造工藝，決定了氫氣的碳足跡?；诨剂仙a(chǎn)的氫氣，我們稱其為“灰氫”?！盎覛洹北M管制造成本相對較低，但因其制氫過程會排放二氧化碳，因此并不是真正意義上的清潔能源。

為了降低“灰氫”的碳排放水平，可以應用碳捕集、利用與封存技術來實現(xiàn)低碳制氫。我們通常把基于天然氣制氫和采用碳捕集、利用與封存技術生產(chǎn)的氫氣叫作“藍氫”，由于在其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體被捕獲了，因此實現(xiàn)了低碳排放生產(chǎn)。

在“雙碳”背景下，“綠氫”將成為“氫能時代”的主角?！熬G氫”制造采用的是可再生能源和電解水工藝。目前，國內的制氫技術主要是以化石能源制氫為主?！熬G氫”的規(guī)模全球大約只占4%。這主要受制于目前“綠氫”制造技術難度大以及制造成本的居高不下。

有報告稱，2060年我國氫氣的年需求量將達到1.3億噸，如果全部采用電解水工藝制取“綠氫”，那么每年需消耗大約11.7億噸的純水。有人會說，蔚藍色的地球一向被稱為“水球”，難道也會缺水嗎？客觀地講，地球上并不缺水，然而淡水資源卻嚴重短缺。如果“綠氫”生產(chǎn)再與人爭水，那么本就缺乏的淡水資源就會更加捉襟見肘。

放眼藍色海洋，那里才是氫的“大本營”。 據(jù)計算，地球表面總面積約5.1億平方千米，海洋面積（3.61億平方千米）大約占到了70.8%。一個水分子含有兩個氫原子，那浩瀚的海洋該有多少氫原子呢？取之不盡的海水，意味著有用之不竭的氫資源。

中國突破，不再“望洋興嘆”

向海洋要水，向海水要氫，不失為解決淡水危機和“綠氫”來源的終極方案。雖然科學家在海水淡化和電解制氫等方面進行了長期的研究，但是仍然沒有走出“望洋興嘆”的困局。究其原因，是海水成分的復雜性增加了制氫的難度。海水屬于一種含有多種溶解鹽類的水溶液。其中，水占96.5%，含鹽量約為3.5%。你可別小看這不起眼的3.5%，如果將其全部提取出來可以在地球表面形成厚度為40米的鹽層。當然，這里所說的鹽層并不全是氯化鈉。分布在海水中的化學元素超過92種，除了構成水的氫和氧元素之外，還有氯、鈉、鎂、硫、鈣、鉀、溴、碳、鍶、硼、氟等。

20世紀70年代初，世界上就有科學家提出了海水直接電解制氫的構想。問題是，電解水制氫技術需要用超純淡水作為原料，并且在成本方面并不具有優(yōu)勢。海水成分的復雜性決定了其具有不同于淡水的物理化學性能，并對海水直接電解制氫構成了嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，天然海水中的氯離子可在陽極被氧化為氯氣和次氯酸根，腐蝕電極金屬基底，并導致催化劑失活。其次，海水中的雜質往往會導致離子交換膜通道和催化活性位點的堵塞等。另外，海水的電解效率很低，這是因為海水中的氫離子以及氫氧根離子濃度很低，在電解過程中的傳質速率很慢。雖然海水直接電解制氫不失為最為理想的制氫方案，但將其推向工業(yè)化規(guī)模需要革命性的突破。

近期，我國科學家謝和平院士提出了解決海水直接電解制氫難題的新思路，并帶領其團隊在海水直接制氫領域取得了重大原創(chuàng)性突破。

由于海水成分的復雜性，傳統(tǒng)的試圖通過額外添加催化劑的方法來實現(xiàn)海水直接電解制氫的方案很難取得突破，因為海水中的雜質對催化劑具有很大的殺傷力。謝和平院士團隊獨辟蹊徑，力求從物理力學和電化學相結合的視角實現(xiàn)海水直接電解制氫的新突破，結果率先實現(xiàn)了無需額外催化劑、無需事先海水淡化、無需額外能耗的海水高效原位直接電解制氫的原創(chuàng)技術模型，從而解決了海水直接制氫這一困擾科學界近50年的科學難題。

獨辟蹊徑，海水“自發(fā)淡化”的秘密

那么，謝和平院士團隊是如何實現(xiàn)海水直接電解制氫的呢？按照謝和平院士團隊的海水原位直接電解制氫的原創(chuàng)技術模型，其原理創(chuàng)新包括兩個方面：一是自發(fā)獲取純凈水，以滿足電解穩(wěn)定制氫的要求；二是實現(xiàn)海水雜質的自主隔離，以解決設備腐蝕和催化劑失活問題。

利用海水直接電解制氫，并不意味著電解裝置可以耐受海水的復雜成分，只不過巧妙利用了海水自發(fā)蒸發(fā)的物理過程罷了。其實，海水蒸發(fā)是一個不爭的事實，并成為大氣環(huán)境中水汽和熱量的重要來源。世界海洋每年大約蒸發(fā)50.5萬立方千米的海水，并向大氣環(huán)境供應87.5%的水汽。

謝和平院士團隊在“海水凈化”方面做足了文章，即把海水蒸發(fā)產(chǎn)生的純凈淡水引流到電解裝置，從而解決了電解水制氫的原料問題。這種獨特的水凈化機制，要比先淡化后制氫先進多了，既不需要額外消耗能量，又避免了海水淡化的污染排放等問題。

最初，海水蒸發(fā)產(chǎn)生的純凈淡水是以水蒸氣的形式存在的。那么它是如何隔開液態(tài)海水及其雜質離子而被引流到電解裝置的呢？謝和平院士團隊是通過一種叫作“透氣不透水”的膜機理來完成的。這種膜叫作疏水多孔聚四氟乙烯（PTFE）防水透氣膜。用這種防水透氣膜把海水和電解裝置隔離開來，具有“透氣不透水”的神奇功能。原來，海水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣（分子很小）可以透過PTFE膜的微觀孔道向電解裝置內部擴散（“透氣”），而海水及其雜質因其顆粒較大會被隔開在海水中（“不透水”）。該工藝對于海水及其雜質“自主隔離”，從根本上解決了海水雜質離子的腐蝕問題。

關于海水直接電解制氫中水分的傳輸路徑，可以分為海水側氣化、膜內擴散和電解質側吸收液化三個過程。海水側的海水蒸發(fā)是一個吸熱的過程，其限度受到海水飽和蒸汽壓的制約。如果不斷地將水蒸氣導出，那么海水就會不斷地蒸發(fā)。關于水蒸氣在PTFE膜內的擴散，其驅動力來源于海水的高飽和蒸汽壓與高濃度電解質的低飽和蒸汽壓間的壓差。正是這種驅動力促進了水分子跨膜傳輸至電解質側，并通過自增濕電解質的水合和吸收作用而發(fā)生液化，以完成電解制氫的原料補充。

那么，電解海水制氫以及海水蒸發(fā)是如何得以持續(xù)的呢？在電解水制氫系統(tǒng)，隨著氫氣和氧氣的釋放和導出，裝置內的液態(tài)水就會逐漸減少，使得膜界面的壓差變大，這樣就會誘導水蒸氣持續(xù)地從海水側向電解質側傳輸，從而使得電解海水制氫以及海水蒸發(fā)都得以持續(xù)。

海洋“綠氫”，為未來“減碳”

構建氫能社會，解決氫能來源是基礎。謝和平院士團隊首創(chuàng)的全球首個海上風電無淡化海水直接電解制氫技術，于2023年5月在福建海試成功，并連續(xù)穩(wěn)定運行超過240小時。

“雙碳”背景下，中國“綠氫”生產(chǎn)迎來了一個跨越式發(fā)展的春天。作為中國可再生能源發(fā)展的“重頭戲”，海上風電也將進入一個新的發(fā)展時期。海上風電具有資源豐富、發(fā)電效率高、運行穩(wěn)定、零粉塵排放、不占用土地以及適宜大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢。謝和平院士團隊的原創(chuàng)性科技成果開創(chuàng)了海水原位直接電解制氫的全新技術路徑，有望成為全球海上可再生能源直接海水制氫領域的“標桿”。

建設全新的海洋“綠氫”工業(yè)體系，首先要實現(xiàn)海水直接電解制氫的產(chǎn)業(yè)化。我國科學家打造的海上風電智慧穩(wěn)定供電系統(tǒng)以及漂浮式海上制氫平臺，無疑是我國大規(guī)模風電耦合海水制造“綠氫”的階段性科研成果。未來工作的重點是進一步攻克抗海洋環(huán)境干擾的海水直接電解制氫核心技術，建設更加高效、更高穩(wěn)定性以及更具兼容性的第二代核心技術及裝備；有序建設海上風電等可再生能源與海水直接電解制氫一體化全新工業(yè)模式，并探索和完善更大規(guī)?；透咧悄芑暮诵募夹g及裝備。用中國智慧推進全球海洋“綠氫”的產(chǎn)業(yè)化，無疑是一項造福全人類的偉大工程，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

【責任編輯】蒲 暉