海水制氫裝置突破制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸

在深圳能源集團(tuán)媽灣電廠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“媽灣電廠”）現(xiàn)場(chǎng)，一套500千瓦電解海水制氫系統(tǒng)已接入深圳市媽灣制氫加氫一體站。這臺(tái)全球首臺(tái)單體規(guī)模最大的海水制氫裝置在媽灣電廠成功投運(yùn)，標(biāo)志著電解海水制氫這項(xiàng)前沿技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室邁向示范應(yīng)用。

成果轉(zhuǎn)化 中試工程正式落地

走進(jìn)媽灣電廠電解海水制氫試驗(yàn)裝置的“小房子”，一個(gè)紅色的大設(shè)備十分引人注目，原來(lái)這就是電解海水制氫裝置最核心的裝置——電解槽。在這個(gè)4米長(zhǎng)的電解槽上，延伸出幾根管道，連接著氣液分離裝置等部件，還有一些排列整齊的純化裝置等，一起構(gòu)成了一整套電解海水制氫試驗(yàn)裝置。

“其實(shí)這套裝置的原理并不難理解，電解液進(jìn)入電解槽，接著進(jìn)行氣液分離，產(chǎn)生氧氣和氫氣，再進(jìn)入脫氧塔對(duì)氫氣中夾雜著的很微量的氧氣進(jìn)行消除，接著進(jìn)行氫氣的干燥、純化，就能把氫氣裝進(jìn)儲(chǔ)罐進(jìn)行存儲(chǔ)了?！爆F(xiàn)場(chǎng)工作人員介紹道。

據(jù)了解，電解槽是這套裝置里面最核心的一個(gè)部件，里面有陰極、陽(yáng)極電極板，海水經(jīng)過(guò)電解槽的陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣。氫氣會(huì)進(jìn)到脫氧塔，對(duì)里面殘留的氧氣進(jìn)行去除。

那為什么要進(jìn)行氣液分離和純化呢？原來(lái)，海水進(jìn)到電解槽，經(jīng)過(guò)電解后，出來(lái)變成氫液、氧液的氣液混合物，這就需要先進(jìn)行氣液分離，分離后的氫氣再進(jìn)入純化裝置，進(jìn)行脫氧、干燥，得到更高純度的氫氣后儲(chǔ)存，分離出來(lái)的氧氣回收利用或排空。

在這套裝置里面，還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了一個(gè)余熱利用裝置?！跋襁@種電解水，額定工作溫度在80℃左右，電解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，這個(gè)余熱利用裝置就是把這些熱量進(jìn)行回收利用?！爆F(xiàn)場(chǎng)人員介紹，所回收的這些熱量可直接用于海水預(yù)處理，這也是這套電解海水制氫裝置為什么能耗比較低的一個(gè)原因。

道理簡(jiǎn)單，但從研發(fā)到投運(yùn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)卻是花了大力氣的。既要成功進(jìn)行電解海水制氫，又要通過(guò)創(chuàng)新手段，在每個(gè)步驟中精益求精，使得能耗、氫氣純度等各項(xiàng)指標(biāo)更加完美。從一臺(tái)1千瓦電解海水小試裝置，初步驗(yàn)證電解海水制氫技術(shù)路線(xiàn)可行性，擴(kuò)大為具備工業(yè)化條件的10千瓦電解海水裝置，再到500千瓦級(jí)電解海水中試裝置，接受工業(yè)化應(yīng)用的檢驗(yàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一步步攻破卡脖子技術(shù)，使得500千瓦量級(jí)的電解海水技術(shù)成功落地。

“目前，媽灣電廠這項(xiàng)中試示范工程已投入試驗(yàn)運(yùn)行，直流能耗、氫氣純度等各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?！鄙钲谀茉醇瘓F(tuán)項(xiàng)目人員表示，如今項(xiàng)目先行在陸上條件開(kāi)展，試驗(yàn)等級(jí)為500千瓦，形成的成果用于后續(xù)另行開(kāi)展擴(kuò)大規(guī)模的試驗(yàn)或海上場(chǎng)景的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終以使用規(guī)?；稍偕茉措娊夂Ｋ茪鋵?shí)現(xiàn)海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)化的目的。

技術(shù)突破 推動(dòng)首臺(tái)裝置集成

現(xiàn)有的電解水制氫技術(shù)大多需要以淡水或純水為原料，隨著氫能需求的不斷增長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)淡水資源造成威脅。一些科研團(tuán)隊(duì)將研究對(duì)象開(kāi)始轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)量豐富的海水資源。

而海水制氫，最大的難點(diǎn)在于海水中氯離子的氧化、腐蝕、結(jié)晶。海水組成復(fù)雜，其中富含的氯離子會(huì)在陽(yáng)極表面發(fā)生析氯反應(yīng)，影響產(chǎn)氧效率，海水中的微生物和細(xì)菌會(huì)毒化陰極電解材料，需要電解材料具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。

據(jù)介紹，電解海水制氫技術(shù)采用了新型抗腐蝕電極材料，這種材料可以適應(yīng)海水環(huán)境，從根本上降低腐蝕程度。而且由于采用了價(jià)格低廉的非貴金屬催化劑，電極的成本較低，方便未來(lái)電解海水設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大并推廣應(yīng)用。

除了電極材料之外，電極尺寸也有了新的突破。一般實(shí)驗(yàn)室里面的海水制氫實(shí)驗(yàn)，配備的電極尺寸都較小，而這套電解海水裝置中的電極尺寸，已經(jīng)可以做到產(chǎn)氫100標(biāo)準(zhǔn)立方米了。

科技創(chuàng)新助推項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化，從實(shí)驗(yàn)室里把催化劑材料合成，確保其工藝的均勻和穩(wěn)定，然后再將電解槽裝配好，還要繼續(xù)裝配其他系統(tǒng)，確保有氣液分離裝置，有氣體純化裝置，還有能量回收裝置等等，這樣整個(gè)集合起來(lái)構(gòu)成了首臺(tái)套集成的完整的電解海水系統(tǒng)。

“在中試項(xiàng)目中，我們首次把整個(gè)500千瓦的系統(tǒng)做出來(lái)。它在技術(shù)上面的創(chuàng)新突破不只是在單點(diǎn)突破，還包括催化劑材料的選擇、微結(jié)構(gòu)、電極極板的設(shè)計(jì)方式等等，這樣一整套下來(lái)，能夠促進(jìn)系統(tǒng)能耗的降低?！鄙钲谀茉醇瘓F(tuán)項(xiàng)目人員表示，能耗降低，相當(dāng)于發(fā)同樣的電量，可以多出10%的氫產(chǎn)量。

瞄準(zhǔn)方向 三方合作未來(lái)可期

其實(shí)從2019年起，深圳能源集團(tuán)就瞄準(zhǔn)了海水制氫技術(shù)方向，在全球遴選優(yōu)勢(shì)技術(shù)資源，聯(lián)合研發(fā)技術(shù)攻關(guān)，聚合資源技術(shù)突破，謀求產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，深圳能源集團(tuán)與已成功孵化近30家上市企業(yè)，具備項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)的深圳清華大學(xué)研究院，以及技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位的海水電解制氫技術(shù)團(tuán)隊(duì)——深圳清華大學(xué)研究院下屬海洋氫能研發(fā)中心及產(chǎn)業(yè)化公司達(dá)成合作意向。

一個(gè)是能實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司，一個(gè)是對(duì)產(chǎn)業(yè)孵化有較豐富經(jīng)驗(yàn)的機(jī)構(gòu)，還有一個(gè)是有原創(chuàng)技術(shù)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，三方一拍即合。經(jīng)過(guò)一番技術(shù)攻關(guān)，終于把海水電解制氫技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室里帶到了中試階段，離技術(shù)商品化就差最后一步了。

“大家達(dá)成合作意向之后，深圳能源集團(tuán)也做了大量的工作。媽灣電廠本身就有一個(gè)制氫加氫一體站，那么海水制氫裝置產(chǎn)生的氫氣，就有了可用的去處，可以加到加氫站儲(chǔ)罐里面，和正常的氫氣一起使用。”深圳能源集團(tuán)項(xiàng)目人員表示。

如今，媽灣電廠500千瓦電解海水制氫示范工程解決了能量波動(dòng)、水質(zhì)變換工況下高效電解的行業(yè)瓶頸，是全球單體規(guī)模最大、首個(gè)百標(biāo)方級(jí)電解海水制氫示范工程，下一步則是進(jìn)行規(guī)模化電解海水制氫。

基于500千瓦電解海水制氫裝備的順利產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用，三方也將進(jìn)一步建立產(chǎn)業(yè)合作，賦能海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)化。此外，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中下游，深圳能源集團(tuán)也已布局，通過(guò)相關(guān)高效安全的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，解決氫氣儲(chǔ)運(yùn)難題，并通過(guò)大型氫燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)行氫能-電力/熱能的高效轉(zhuǎn)化，預(yù)期實(shí)現(xiàn)制儲(chǔ)運(yùn)用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈布局，為構(gòu)建綠色、低碳、高效的能源體系貢獻(xiàn)更多力量。

談及未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，深圳能源集團(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，海水電解制氫可以擺脫大規(guī)模制氫對(duì)淡水的依賴(lài)，并解決深遠(yuǎn)海可再生能源輸送難、就地消納難問(wèn)題，亦可拓展到西部鹽堿水、油氣田采出水制氫，解決西部大規(guī)模可再生能源制氫淡水資源匱乏的問(wèn)題，產(chǎn)業(yè)前景廣闊。

“這項(xiàng)技術(shù)適合海水的場(chǎng)景，也適用于鹽堿水的場(chǎng)景，在新疆、青海、內(nèi)蒙古，甚至國(guó)外的如中東地區(qū)，也有發(fā)展的前景。等這項(xiàng)技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用之后，可以向這些地區(qū)推廣。此外，對(duì)于垃圾滲濾液等廢水，這項(xiàng)技術(shù)也有應(yīng)用的可能性?！鄙钲谀茉醇瘓F(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人透露。

可以理解為，這個(gè)制氫裝置是可以“吃粗糧”的，不同水的水質(zhì)成分可能不同，通過(guò)一些有針對(duì)性的研究和設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高含鹽水的電解制氫。