蘇更林

作為一種清潔高效的能源，氫能一向被認(rèn)為是21世紀(jì)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(tuán)隊在海水直接電解制氫方面的突破，開啟了“藍(lán)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(jìn)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(xué)能，即通過氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(zhì)量能量密度（單位質(zhì)量所含的能量）遠(yuǎn)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(lǐng)域的應(yīng)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(biāo)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(zhì)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(dá)到4.0%～75.6%（體積分?jǐn)?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(jìn)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(fēng)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(yīng)用的主要途徑。未來，氫能的應(yīng)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(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)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(lán)色海洋，氫的“大本營”

作為一種二次能源，氫氣突破制造關(guān)是大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。關(guān)于氫氣的制造，可以有多種原料技術(shù)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(yīng)用碳捕集、利用與封存技術(shù)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(shù)生產(chǎn)的氫氣叫作“藍(lán)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(nèi)的制氫技術(shù)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(shù)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(dá)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(lán)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(yán)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(lán)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(jī)和“綠氫”來源的終極方案。雖然科學(xué)家在海水淡化和電解制氫等方面進(jìn)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(fù)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(dāng)然，這里所說的鹽層并不全是氯化鈉。分布在海水中的化學(xué)元素超過92種，除了構(gòu)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(jì)70年代初，世界上就有科學(xué)家提出了海水直接電解制氫的構(gòu)想。問題是，電解水制氫技術(shù)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(fù)雜性決定了其具有不同于淡水的物理化學(xué)性能，并對海水直接電解制氫構(gòu)成了嚴(yán)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(dǎo)致催化劑失活。其次，海水中的雜質(zhì)往往會導(dǎo)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(zhì)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(xué)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(lǐng)其團(tuán)隊在海水直接制氫領(lǐng)域取得了重大原創(chuàng)性突破。

由于海水成分的復(fù)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(zhì)對催化劑具有很大的殺傷力。謝和平院士團(tuán)隊獨辟蹊徑，力求從物理力學(xué)和電化學(xué)相結(jié)合的視角實現(xiàn)海水直接電解制氫的新突破，結(jié)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(shù)模型，從而解決了海水直接制氫這一困擾科學(xué)界近50年的科學(xué)難題。

獨辟蹊徑，海水“自發(fā)淡化”的秘密

那么，謝和平院士團(tuán)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(tuán)隊的海水原位直接電解制氫的原創(chuàng)技術(shù)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(zhì)的自主隔離，以解決設(shè)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(fù)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(yīng)87.5%的水汽。

謝和平院士團(tuán)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(jī)制，要比先淡化后制氫先進(jìn)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(zhì)離子而被引流到電解裝置的呢？謝和平院士團(tuán)隊是通過一種叫作“透氣不透水”的膜機(jī)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?。┛梢酝高^PTFE膜的微觀孔道向電解裝置內(nèi)部擴(kuò)散（“透氣”），而海水及其雜質(zhì)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(zhì)“自主隔離”，從根本上解決了海水雜質(zhì)離子的腐蝕問題。

關(guān)于海水直接電解制氫中水分的傳輸路徑，可以分為海水側(cè)氣化、膜內(nèi)擴(kuò)散和電解質(zhì)側(cè)吸收液化三個過程。海水側(cè)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(dǎo)出，那么海水就會不斷地蒸發(fā)。關(guān)于水蒸氣在PTFE膜內(nèi)的擴(kuò)散，其驅(qū)動力來源于海水的高飽和蒸汽壓與高濃度電解質(zhì)的低飽和蒸汽壓間的壓差。正是這種驅(qū)動力促進(jìn)了水分子跨膜傳輸至電解質(zhì)側(cè)，并通過自增濕電解質(zhì)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(dǎo)出，裝置內(nèi)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(dǎo)水蒸氣持續(xù)地從海水側(cè)向電解質(zhì)側(cè)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(gòu)建氫能社會，解決氫能來源是基礎(chǔ)。謝和平院士團(tuán)隊首創(chuàng)的全球首個海上風(fēng)電無淡化海水直接電解制氫技術(shù)，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(fēng)電也將進(jìn)入一個新的發(fā)展時期。海上風(fēng)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(tuán)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(shù)路徑，有望成為全球海上可再生能源直接海水制氫領(lǐng)域的“標(biāo)桿”。

建設(shè)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(xué)家打造的海上風(fēng)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(fēng)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(jìn)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(shù)，建設(shè)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(shù)及裝備；有序建設(shè)海上風(fēng)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(shù)及裝備。用中國智慧推進(jìn)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(zé)任編輯】蒲 暉