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我国海水制氢技术发展现状分析

葛昶 ,  余晓钟 ,  辜穗 ,  罗霞 ,  白龙 ,  刘梦薇

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (4) : 8 -11.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (4) : 8-11. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.04.002
专论与评述

我国海水制氢技术发展现状分析

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Analysis on current status of China’s seawater to hydrogen technology

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摘要

海水制氢技术作为一种创新的清洁能源解决方案,通过利用海水中的水分子分解生成氢气,具有重要的应用潜力和环境效益。系统分析了海水制氢技术的国内发展现状,包括电解海水制氢、光催化分解海水制氢和热化学分解海水制氢等主要技术路线,阐述了各技术的研究进展和应用案例。研究表明,提高转化效率、降低成本和实现规模化应用是当前技术发展的重点。还探讨了海水制氢在交通、工业、能源存储和偏远地区等领域的应用前景,并提出了政策支持、技术研发投入、标准制定、国际合作和公众宣传等发展建议,以推动该技术的进一步发展和广泛应用,为实现清洁能源转型和环境保护目标提供新路径。

Abstract

As an innovative clean energy solution,seawater to hydrogen technology decomposes water molecules in seawater to produce hydrogen,offering significant application potential and environmental benefit.This paper systematically analyzes China’s development status of seawater to hydrogen technology,including major technical routes such as seawater electrolysis,photocatalytic seawater decomposition,and thermochemical seawater decomposition.It evaluates the research progress and application cases of each technology.The study indicates that improving conversion efficiency,reducing cost,and achieving large-scale application are the current focuses of technological development.Additionally,this paper explores the application prospects of seawater to hydrogen in the areas such as transportation,industry,energy storage,and remote regions.It also proposes development recommendations including policy support,investment in technological research and development,standard formulation,international cooperation,and public awareness campaigns to promote further development and widespread application of this technology,providing a new pathway for achieving clean energy transition and environmental protection goals.

关键词

海水制氢 / 发展现状 / 清洁能源 / 氢能

Key words

seawater to hydrogen / current development status / clean energy / hydrogen energy

Author summay

葛昶(1994-),男,博士研究生,研究方向为能源管理,。

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葛昶,余晓钟,辜穗,罗霞,白龙,刘梦薇. 我国海水制氢技术发展现状分析[J]. , 2025, 45(4): 8-11 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.04.002

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全球能源需求的不断增加和传统化石能源使用带来的环境问题,已成为21世纪人类社会面临的重大挑战,开发和利用清洁可再生能源已成为全球关注的焦点[1]。在众多清洁能源技术中,氢能因其来源广泛、燃烧产物无污染、能量密度高等优点,被认为是未来能源体系的重要组成部分[2]。海水制氢作为一种创新的制氢技术,通过利用海水中的水分子分解生成氢气,不仅能够有效缓解淡水资源的压力,还可以实现海洋资源的综合利用[3]。近年来,海水制氢技术的应用,不仅能够为氢能产业提供可靠的技术支持,还能推动海洋经济的发展[4]。通过深入研究海水制氢技术的发展现状、技术重点和难点、应用场景及未来发展方向,可以为相关领域的科研人员、企业和政策制定者提供有价值的参考,为实现能源转型和环境保护目标贡献力量[5]。
本文通过全面分析海水制氢技术的发展现状,探讨了国内该技术的研究进展和应用案例。通过梳理海水制氢技术的关键技术路线和主要研究成果,分析该领域面临的技术难题和发展瓶颈,提出解决方案和技术突破点。同时,结合实际应用场景,评估海水制氢技术在交通、工业、能源存储等领域的应用前景,并提出相应的意见建议,推动该技术的进一步发展和应用。

1 海水制氢的技术现状

1.1 主要技术路线

目前国内海水制氢的主要技术路线包括电解海水制氢、光催化分解海水制氢、热化学分解海水制氢等[6],这些技术路线各有特点,在研究和应用方面都有所进展。
(1)电解海水制氢是通过电流将水分子分解成氢气和氧气的过程。与传统的淡水电解制氢相比,海水电解面临更多的挑战,因为海水含有较高的盐分和其他杂质,容易导致电极的腐蚀和电解效率的降低。为了克服这些问题,研究人员开发了高耐腐蚀性的新型电极材料,如钌钛氧化物和铂基合金等。这些材料不仅具有良好的电催化性能,还能够在海水中长期稳定工作。此外,电解槽的设计也需要进行优化,通过改进电解槽结构和电解液流动方式,可以提高电解效率,降低能量消耗。电解海水制氢的优点在于技术成熟、操作简单,但其成本较高,需要进一步降低材料和设备成本,实现大规模应用。
(2)光催化分解海水制氢利用光能(特别是太阳能)将水分子分解成氢气和氧气。这一过程依赖于光催化剂的作用,光催化剂吸收光能后,产生的电子-空穴对参与水分解反应。光催化制氢的核心在于光催化剂的开发,目前研究较多的光催化剂包括二氧化钛、硫化镉和氧化锌等。这些材料在光照下能够有效地分解水分子,但其光吸收范围有限,通常只能利用紫外光。为了解决这一问题,研究人员通过掺杂、表面修饰和纳米结构设计等方法,开发了能够利用可见光的宽光谱响应光催化剂。此外,光催化系统的设计也需要考虑光吸收效率和反应效率,通过优化光催化剂的形貌和反应器结构,可以提高光催化制氢效率。光催化分解海水制氢的优点是可以直接利用太阳能,环保无污染,但其制氢效率相对较低,需要进一步提升光催化剂的性能。
(3)热化学分解海水制氢是利用高温热能将水分子分解成氢气和氧气的过程。热化学制氢通常需要在高温条件下(800℃以上)进行,所需的高温热能可以来自太阳能聚光系统、核能或工业余热。热化学分解过程包括多步反应,如硫-碘循环、钙-铁循环等。这些循环通过多个化学反应步骤,将水分子逐步分解为氢气和氧气。热化学制氢的优势在于能量转换效率高,适合大规模工业化应用,但其技术复杂,对设备和材料要求较高,需要耐高温和耐腐蚀的材料。此外,热化学制氢系统的热能管理和反应器设计也是研究的重点,通过优化热能利用和反应过程,可以提高制氢效率,降低能量消耗。

1.2 国内技术现状

在中国,海水制氢技术的研究主要由一些高校、科研院所和企业承担。这些机构和企业在技术研发和示范应用方面取得了显著进展。例如,中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、华中科技大学等高校和科研机构在海水制氢技术方面开展了大量研究工作。此外,一些企业如中国石化、中国海洋石油总公司等也积极参与到海水制氢技术的研发和示范应用中[7]。
在应用示范方面,国内已有若干海水制氢示范项目。例如,海南省在三亚市建设了一个小规模的海水制氢示范站,利用当地丰富的海水资源进行制氢,并为当地交通和工业提供氢气供应。这个示范站不仅展示了海水制氢的技术可行性,还为未来大规模应用提供了宝贵的经验和数据。中国海洋石油总公司在广东省沿海地区开展了海水制氢与海洋能结合的示范项目,探索海洋能与海水制氢的协同利用。这些项目不仅提升了海水制氢技术的实际应用水平,也为中国在全球海水制氢领域占据领先地位奠定了基础。
此外,国内在海水制氢技术方面取得了显著成果。例如,四川大学的谢和平院士提出一种创新的方法[8],通过海水蒸发产生的水蒸气选择性透过隔膜后冷凝,以纯水形式进入碱性电解槽,实现了海水直接制氢。这一技术突破了传统海水电解制氢的限制,显著提高了制氢效率和设备寿命。谢和平院士团队研制的全球首套产氢量400 L/h(功率约2 kW)海水原位直接电解制氢装置“东福一号”,在深圳湾中连续运行3 200 h,制氢能耗达到5.0 kWh/Nm3 H2,与常规的碱性电解水制氢能耗相当。这一技术有望用于规模化海水制氢,但还需要进一步放大至兆瓦级电解槽,对大面积隔膜的透水性能与可靠性进行长周期验证。
2023年,中科院大连化学物理研究所开发研制了1 Nm3/h的直接海水电解装置,攻克了催化剂、电解槽等一系列难题,电解连续稳定运行2 000 h。该装置的直流电耗为4.04 kWh/Nm3 H2,其中氧中氯气含量低于0.02‰。这一成果展示了中国在海水制氢技术方面的领先地位,也为未来大规模应用提供了重要的技术保障[9]。不仅如此,乔世璋团队和凌涛教授课题组提出了一种基于高选择性催化剂的海水直接电解制氢技术,通过微观界面阻挡氯离子、钙离子和镁离子等对电极的毒化,在不进行海水分离的前提下实现了电解制氢[10]。该技术在实验室10 W级100 h电解槽测试中,电流密度达到 1 A/cm2@1.87 V,制氢效率与质子交换膜纯水电解槽性能相当。这一技术为海水直接电解制氢提供了新的思路,也展示了中国在海水制氢催化剂开发方面的强大科研实力[11]。
综上所述,中国在海水制氢技术的研究和应用方面取得了显著进展,通过高校、科研院所和企业的共同努力,逐步攻克了海水制氢过程中的技术难题,推动了海水制氢技术的不断发展和实际应用。未来,随着更多示范项目的建设和技术的不断成熟,海水制氢技术有望在全球范围内得到广泛应用,为清洁能源的发展做出重要贡献。

2 技术发展重点和难点

2.1 技术发展重点

提高海水制氢技术的转化效率、降低成本和实现规模化应用是该技术发展的三大重点。为提高转化效率,需要在优化电极材料、改进光催化剂和热能利用优化等方面进行深入研究。首先,开发新型高效抗腐蚀电极材料至关重要,这些材料不仅要具备高效的电解性能,还要在海水中具有较强的耐腐蚀性,延长设备的使用寿命。通过应用新材料科技,电极材料的性能可以得到显著提升,从而提高电解海水制氢的整体效率。其次,光催化剂的改进也是提高转化效率的重要环节。利用纳米材料和表面修饰技术,可以显著提升光催化剂的光吸收能力和催化活性,从而加速光催化分解水的反应速率。此外,热化学分解海水制氢过程中的热能利用优化也同样关键,通过改进热能管理系统,可以减少能量损耗,提高整体能量转换效率,进而提升制氢效率。
降低海水制氢技术的成本是实现其大规模应用的关键环节。研究重点包括材料成本降低、设备简化和规模化生产。首先,在材料成本降低方面,开发廉价且高效的电极材料和光催化剂是关键。通过探索新材料和优化现有材料,可以在保证高效性能的同时,显著减少材料的成本。其次,设计简洁高效的制氢设备也至关重要。简化设备结构不仅可以降低制造成本,还能减少设备的维护成本,提升经济效益。最后,规模化生产和工艺优化也是降低成本的重要途径。通过实现大规模生产,不仅可以摊薄固定成本,还能通过工艺改进提高生产效率,进一步降低单位成本。
实现海水制氢技术的规模化应用需要解决制氢装置规模化、能源供应保障和市场推广等关键问题。首先,开发适用于大规模制氢的设备和工艺是实现规模化应用的基础。通过提升制氢设备的生产能力,可以满足大规模应用的需求,推动海水制氢技术的产业化。其次,确保制氢过程中的能源供应稳定也是实现规模化应用的关键。利用可再生能源如太阳能和风能进行制氢,不仅可以保证能源供应的稳定性,还能实现绿色制氢,减少对化石燃料的依赖。最后,制定有效的市场推广策略,提高海水制氢技术的市场接受度和应用范围。通过政策支持、公众宣传和市场激励,可以促进技术的广泛应用,推动市场的发展。

2.2 技术难点

海水制氢技术在实际应用中面临多个技术难点,包括腐蚀问题、催化剂稳定性以及能源转换效率。首先,腐蚀问题是海水制氢设备面临的主要挑战之一。海水中含有大量的盐分和腐蚀性离子,这些物质容易对制氢设备造成严重的腐蚀,影响设备的使用寿命和制氢效率。为了解决这一问题,需要从以下几个方面入手:开发高耐腐蚀性的新型材料用于制氢设备的关键部件,例如电极和反应器内衬,以提高设备的耐腐蚀性和使用寿命;研究和应用有效的防腐技术,如涂层技术和电化学保护技术,通过在设备表面形成保护层或利用电化学方法降低腐蚀速率,从而延长设备的使用寿命;优化设备设计,通过合理的结构设计减少海水中腐蚀性离子对设备的影响,提高设备的耐用性[12]。
其次,催化剂的稳定性是影响海水制氢效率和设备寿命的重要因素。在海水制氢过程中,催化剂必须在高盐和高腐蚀性的环境中保持高效和稳定的催化性能。提高催化剂稳定性需要解决以下几个问题:开发新型高稳定性的催化剂材料,增强催化剂在海水环境中的耐用性和抗腐蚀性;通过纳米结构设计和表面修饰技术,优化催化剂的微观结构,增强其催化活性和稳定性;研究催化剂的保护技术,如涂层保护和复合材料保护,通过在催化剂表面涂覆保护层或将催化剂与其他材料复合,延长催化剂的使用寿命,确保其在海水制氢过程中的高效稳定运行[13]。
此外,提高海水制氢过程中的能源转换效率是实现技术经济可行性的关键。为此,需要在以下几个方面进行研究:优化能量利用效率,减少能量损失,通过提高电解海水和光催化分解海水的能量转换效率,降低单位制氢能耗;通过工艺集成优化,实现制氢过程的高效能量利用和副产品的综合利用,例如在热化学分解过程中,通过热能管理系统的优化设计,实现多余热能的回收和再利用;开发智能能源管理系统,通过实时监控和优化控制,实现能源的优化配置和高效利用,提高整体能源转换效率,降低制氢成本[14]。

3 应用场景

3.1 交通领域

海水制氢技术在交通领域具有广泛的应用前景。氢燃料电池汽车因其零排放、高能量密度和快速加氢的优点,成为未来交通工具的重要发展方向。海水制氢技术可以为氢燃料电池汽车提供清洁氢气,推动交通领域的绿色转型。在船舶和航空领域,海水制氢技术同样具有重要应用价值,尤其在海上和偏远地区,利用海水制氢技术可以实现就地制氢,减少运输成本和碳排放。

3.2 工业领域

在工业领域,海水制氢技术可以为化工、冶金、能源等行业提供清洁氢气,推动工业过程的绿色化转型。例如,在化工行业,氢气作为重要的原料,可用于生产氨、甲醇等化学品;在冶金行业,氢气可作为还原剂用于铁矿石的还原,减少二氧化碳排放;在能源领域,氢气可作为能源载体,促进可再生能源的高效利用。

3.3 能源存储

海水制氢技术在能源存储方面具有重要应用潜力。利用可再生能源(如太阳能和风能)发电,通过海水电解制氢,将电能转化为氢气存储,实现能源的高效存储和跨季节调配。氢气作为清洁能源储存介质,可以解决可再生能源发电的间歇性和不稳定性问题,推动能源系统的平衡和稳定。

3.4 偏远地区和海岛

在偏远地区和海岛,传统能源供应困难,利用海水制氢技术可以实现能源的自给自足。通过利用当地丰富的海水资源和可再生能源(如太阳能和风能),制取氢气作为能源供应,解决偏远地区和海岛的能源供应问题,推动当地经济和社会的可持续发展。

4 结论

海水制氢技术作为一种创新的清洁能源技术,具有广阔的发展前景。通过对国内海水制氢技术现状的分析,可以看出该技术在提高转化效率、降低成本和实现规模化应用方面仍需进一步研究和探索。结合实际应用场景,海水制氢技术在交通、工业、能源存储和偏远地区等领域具有重要应用价值。政府应加大对海水制氢技术的政策支持力度,包括研发资助、市场激励和示范项目推广,吸引更多科研机构和企业参与,加速技术创新和产业化进程。同时,增加对技术研发的投入,推动技术突破和创新,开发高效、低成本的海水制氢技术,提升技术竞争力和市场应用潜力。此外,制定和完善技术标准和行业规范,确保技术应用的安全性和可靠性,通过建立统一的技术标准,规范市场秩序,推动技术的规范化和标准化应用。加强国际间的技术合作与交流,借鉴先进技术和经验,共同推动海水制氢技术的发展,通过参与国际合作项目,促进技术交流和资源共享,提高技术研发水平和国际竞争力。最后,加大对海水制氢技术的宣传力度,提高公众对氢能和海水制氢技术的认知和接受度,通过举办科普活动、宣传教育和媒体报道,增强公众的环保意识和对清洁能源的支持,共同推动氢能产业的发展。通过政策支持、技术研发投入、标准制定、国际合作和公众宣传等措施,可以推动海水制氢技术的进一步发展和应用,为实现清洁能源转型和环境保护目标贡献力量。

参考文献

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基金资助

2022年国家社会科学基金重大招标项目(22&ZD105)

2024年国家社会科学基金西部项目(24XGJ002)

宜宾智慧物流研究院项目(YW2024YB07)

成都工业学院经济与管理学院博士科研基金项目(2024KY04)

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