电解海水制氢的机遇.docx

众所周知，国家各方面发展的重要物质基础是能源。能源的发展情况，直接关系到一个国家的现代化建设水平。现在人们利用的能源主要有三类：一类是来自地球以外的其他天体的能量，如太阳的辐射能；一类是地球本身所蕴藏的能量，如化石能源、地热能等；还有一类则是地球和天体之间作用所产生的能量，如潮汐能和风与洋流所含有的能量。

各国都在大力发展清洁高效的能源以替代传统化石能源。氢能逐渐进入了人们的视野。面对双碳目标，氢无疑是最好的一个元素，氢能能量密度大、转换效率高且燃烧最终产物只有水，表观上是一种绝对清洁的能量载体，非常符合国家对未来主流能源的期待。其具备可持续、热值高、能量密度大等优点，是化石燃料最有前途的替代品之一，是人类社会的理想能源。

氢能分为灰氢、蓝氢和绿氢三大类，灰氢是通过化石燃料燃烧所产生的氢气，该种氢气的生产技术较为简单，但过程中会有较多的CO2排放，不符合双碳目标；蓝氢是将天然气通过一系列反应制成的氢气。虽然在生产蓝氢时也会产生温室气体，但由于在生产过程中使用了诸多先进技术，所产生的温室气体被捕获，减轻了天然气制氢对地球环境的影响，实现了某种意义上的低排放生产；而绿氢则是通过使用可再生能源制造的氢气，如电解水制氢、太阳能热解水制氢等，对环境较为友好，是氢能利用的最理想形态。所以说，灰氢不可取，蓝氢可以用，绿氢是方向。

在生产绿氢的过程中，电解水制氢技术普遍使用淡水作为生产的主要原料，但由于全球淡水资源稀缺，仅占世界水资源总量的2.53%左右。因此，直接电解海水获得氢能就显得尤为关键。海水储量丰富、离子电导率高电解可与风能等绿色能源耦合，所以该技术具有可行性和便利性。但受到目前技术及制造成本的限制，绿氢实现产业化还需要时间。

本文通过对电解海水技术及其他制氢技术的介绍，阐述了电解海水制氢的优越性及探索电解海水制氢技术作出的尝试，着重分析了电解海水制氢的机遇和挑战，并对这一新兴领域的未来发展方向进行了展望。

1.不同的制氢方法

目前来讲制造氢能的方法有很多，根据原料转化途径及原理不同大致可分为以下几类：太阳能热化学制氢、化石能源制氢、生物质制氢和电解水制氢等。以下介绍几种不同的制氢方法：

（1）太阳能热化学制氢。太阳能热化学反应循环制氢，又称间接热解水制氢。与直接热解法制氢相比，间接法克服了温度过高这一难题（其反应温度仅为900～1200K），对设备材料的依赖性大幅度减小，安全性大幅提高。如果太阳能直接对水进行热分解，H2和O2两种气体分离较为困难，同时该反应是可逆反应，高温下氢与氧可能会重新结合生成水，甚至可能发生爆炸。而间接热解水制氢反应过程中H2和O2可以自行分离，很好地解决了这一技术难题。

虽然该方法温室气体排放量较少，但目前建设成本较高，技术不够成熟，需要进一步完善，无法大规模满足市场要求。

（2）化石能源制氢。当下工业大规模制氢主要仍为化石燃料制氢，全球的氢气中大概有92%采用煤和天然气来制备，作为主要的氢气生产方式，化石燃料制氢具有技术成熟、原料成本低、装置规模大等优势。其中，煤制氢和天然气制氢是最主要的制氢方式。

煤气化制氢技术被工业大规模制氢流程采用，其具体工艺过程有将煤炭在高温条件下气化生成水煤气、CO与水蒸气经变换转变为H2和CO2、脱除酸性气体（如CO2和SO2）、氢气提纯等工艺环节，由此可以得到不同纯度的氢气。煤制氢技术现已大规模应用于工业生产，因其低成本和高技术成熟度而饱受青睐。但是其产氢效率低和温室气体排放量大也成为了制约煤制氢工艺进一步推广的主要原因。

以甲烷为原料制备氢气主要有两种方法，一种是先制备水煤气，然后再得到氢气；或直接分解甲烷从而得到氢气。这两种方法都需要先活化甲烷分子，但由于甲烷分子惰性很强，成功活化需要较为苛刻的条件。即使甲烷在温度低于700K时就可以生成合成气，但只有在温度高于1100K的条件下，氢气产率才能达到较高水平。相较于煤制氢工艺，甲烷制氢温室气体排放量较小，是相对理想的工业制氢方式，但能耗高、生产成本高和设备投资大等问题却也亟待解决。

（3）生物质制氢。早在1949年Gest就发现了生物光合产氢的现象，1966年Lewis提出了生物法制氢的构想。根据生物制氢技术所利用的产氢微生物种类不同，一般可分为厌氧发酵制氢和光合生物制氢两类。生物质制氢具有能耗低、温室气体释放少、原料获取方便等优点，理论上能有较大的产氢能力。但其原料构成复杂，初产物杂质多，提纯工艺困难且占地面积较大，不适合大规模制取。

通过厌氧发酵生物制氢有三种基本途径，分别为混合酸发酵、丁酸型发酵、NADH途径。NADH途径制氢主要机制是葡萄糖在厌氧条件下，发酵生成丙酮酸，同时产生大量的NADH和H，当微生物体的NADH和H积累到一定程度时，NADH会通过微生物中的氢化酶的作用释放分子氢。而丁酸型发酵和混合酸发酵这两