在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，氫能作為“21世紀(jì)終極能源”，憑借清潔、高效、可持續(xù)的特性，在能源領(lǐng)域掀起變革風(fēng)暴。而傳統(tǒng)電解水制氫需消耗淡水資源，在一些特殊場(chǎng)景存在應(yīng)用瓶頸。廣袤的海洋，覆蓋地球約71%的面積，是地球上最大的氫礦，海水制氫技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，有望破解這一難題。

雙軌并行：海水制氫技術(shù)路徑解析

　　氫氣在石油石化行業(yè)用途廣泛，在煉油加工方面，氫氣可在加氫脫硫、加氫裂化和加氫精制等工藝中改善產(chǎn)品質(zhì)量，也可用于催化劑再生、保護(hù)氣及廢氣處理。氫氣是合成氨、甲醇的關(guān)鍵原料，可以生產(chǎn)化肥、塑料等產(chǎn)品。綠氫替代化石燃料制氫，為燃料電池供能的同時(shí)，可減少碳排放，助力綠色轉(zhuǎn)型。

　　當(dāng)前主要有天然氣重整制氫、煤氣化制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫以及生物質(zhì)、光解水、核能制氫等方式。在能源轉(zhuǎn)型中，綠氫和藍(lán)氫將成為低碳制氫的主要發(fā)展方向，其中，電解水制氫作為綠氫生產(chǎn)的核心技術(shù)路徑，主要分為堿性電解水(AWE)制氫、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)制氫、固體氧化物電解水(SOEC)制氫、陰離子交換膜電解水(AEM)制氫以及海水電解制氫技術(shù)。

　　由于海水中含有約3.5%的鹽類，會(huì)對(duì)制氫過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此相較于常規(guī)電解水制氫，海水電解制氫對(duì)關(guān)鍵材料、關(guān)鍵設(shè)備提出了更高要求。目前海水電解制氫技術(shù)主要分為兩種：一是海水淡化與堿水制氫(AWE)或質(zhì)子交換膜(PEM)制氫耦合;二是直接以海水為原料進(jìn)行電解制氫。多數(shù)示范裝置采用第一種技術(shù)路線，海水淡化與堿水制氫均具有較高的技術(shù)成熟度，且易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。直接海水電解制氫技術(shù)分為以膜系統(tǒng)為核心的海水無(wú)淡化電解制氫技術(shù)和以耐腐蝕材料為核心的技術(shù)方案。海水無(wú)淡化電解制氫技術(shù)通過(guò)特殊膜材料與堿水制氫電解槽的耦合匹配，利用濃度驅(qū)動(dòng)原理將海水中雜質(zhì)離子與制氫電解槽循環(huán)液進(jìn)行有效的隔離，以此實(shí)現(xiàn)海水穩(wěn)定制氫過(guò)程。該技術(shù)的核心是膜材料的開(kāi)發(fā)，本質(zhì)上電解槽內(nèi)仍為純水。以耐腐蝕材料為核心的技術(shù)方案則是通過(guò)匹配耐腐蝕、高活性的電極、高傳質(zhì)極板以及特定工藝來(lái)解決雜質(zhì)離子對(duì)制氫工況的影響，實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

重大跨越：海水制氫技術(shù)攻堅(jiān)突破

　　20世紀(jì)70年代，科學(xué)家提出海水直接電解制氫的構(gòu)想。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行相關(guān)研究。

　　“十四五”以來(lái)，鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各項(xiàng)政策和規(guī)劃持續(xù)發(fā)布。2021年9月，《中共中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》指出，加強(qiáng)氫能生產(chǎn)、儲(chǔ)存、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、示范和規(guī)模化應(yīng)用，統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制儲(chǔ)輸用”全鏈條發(fā)展。2021年10月，《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》要求，加快氫能技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用，探索在工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用。2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》。此外，許多省市和央企、國(guó)企也對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了前瞻布局。

　　2021年，中石化大連院在中石化科技部的支持下，針對(duì)海水中雜質(zhì)離子的影響規(guī)律，通過(guò)耐腐蝕電極材料、高傳質(zhì)流道設(shè)計(jì)以及特定電解液凈化模塊的開(kāi)發(fā)，在克服雜質(zhì)離子對(duì)制氫工況影響的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品并行生產(chǎn)，進(jìn)一步提高海水的綜合利用率。

　　2024年12月，中石化大連院聯(lián)合青島煉化公司圍繞海水直接電解制氫技術(shù)涉及到的關(guān)鍵材料、設(shè)備以及工藝進(jìn)行研發(fā)并取得重大技術(shù)突破，建成我國(guó)首個(gè)工廠化海水制氫科研項(xiàng)目。裝置產(chǎn)氫量20標(biāo)準(zhǔn)立方米/時(shí)，產(chǎn)出的氫氣符合GB/T37244-2018中燃料電池車(chē)用氫氣的要求，直接并入青島煉化氫氣管網(wǎng)，加速了未來(lái)海水直接電解制氫技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程。

多方施策：推動(dòng)海水制氫工業(yè)化落地

　　盡管海水電解制氫產(chǎn)業(yè)化取得進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展仍面臨不小挑戰(zhàn)。一是技術(shù)大型化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。海水成分復(fù)雜，包含92種化學(xué)元素及大量微生物，給海水直接電解制氫帶來(lái)諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是目前已突破的技術(shù)大多集中在中試階段，且運(yùn)行時(shí)間較短，從中試到工程化放大仍有很多問(wèn)題需要解決。二是電能的成本較高以及可再生能源電力供應(yīng)不穩(wěn)定。制氫裝置與波動(dòng)電源之間的匹配性、兼容性問(wèn)題會(huì)給設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新挑戰(zhàn)，直接或間接阻礙了海水電解制氫產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。同時(shí)，電解水制氫整體成本偏高，在整個(gè)制氫市場(chǎng)的占有率低，海水電解制氫技術(shù)商業(yè)化的動(dòng)力不足。三是海水電解制氫技術(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范不完善。相比常規(guī)電解水制氫，海水直接電解制氫對(duì)水質(zhì)原料的包容性更高，但需明確不同雜質(zhì)最高閾值，使海水直接電解制氫行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，專家給出如下建議：一是以國(guó)有大型能源企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)為主體，依托重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重大科技項(xiàng)目、重大科技專項(xiàng)等，打造大型化應(yīng)用示范案例，加速海水直接電解制氫技術(shù)的大型化研發(fā)示范。二是多渠道保障綠電穩(wěn)定供應(yīng)。加大綠電穩(wěn)定供應(yīng)的研究，在沿海地區(qū)建立海陸電網(wǎng)互聯(lián)機(jī)制，依靠風(fēng)電、水電、光電等多能互補(bǔ)，保證制氫端的穩(wěn)定供電。將綠電穩(wěn)定供應(yīng)與儲(chǔ)能結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制氫裝置的穩(wěn)定供電，并降低電力并網(wǎng)費(fèi)用。三是建立標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。建立完善技術(shù)和安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展;建立不同區(qū)域海水品質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成區(qū)域性定制化的海水電解制氫技術(shù)庫(kù)，提高技術(shù)應(yīng)用的靈活性。

　　展望未來(lái)，中石化大連院將與青島煉化持續(xù)開(kāi)展海水制氫工廠化、規(guī)模化應(yīng)用攻關(guān)，建設(shè)示范裝置，探索通過(guò)氫能技術(shù)消納沿海地區(qū)和海上綠電資源，以及石化企業(yè)高含鹽廢水資源化利用的技術(shù)路徑。

　　本文刊載于《中國(guó)石油和化工》2025年4月刊產(chǎn)經(jīng)聚焦欄目