海水制氫裝置突破制氫產業發展瓶頸

在深圳能源集團媽灣電廠（以下簡稱“媽灣電廠”）現場，一套500千瓦電解海水制氫系統已接入深圳市媽灣制氫加氫一體站。這臺全球首臺單體規模最大的海水制氫裝置在媽灣電廠成功投運，標志著電解海水制氫這項前沿技術從實驗室邁向示范應用。

成果轉化 中試工程正式落地

走進媽灣電廠電解海水制氫試驗裝置的“小房子”，一個紅色的大設備十分引人注目，原來這就是電解海水制氫裝置最核心的裝置——電解槽。在這個4米長的電解槽上，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，一起構成了一整套電解海水制氫試驗裝置。

“其實這套裝置的原理并不難理解，電解液進入電解槽，接著進行氣液分離，產生氧氣和氫氣，再進入脫氧塔對氫氣中夾雜著的很微量的氧氣進行消除，接著進行氫氣的干燥、純化，就能把氫氣裝進儲罐進行存儲了。”現場工作人員介紹道。

據了解，電解槽是這套裝置里面最核心的一個部件，里面有陰極、陽極電極板，海水經過電解槽的陽極產生氧氣，陰極產生氫氣。氫氣會進到脫氧塔，對里面殘留的氧氣進行去除。

那為什么要進行氣液分離和純化呢？原來，海水進到電解槽，經過電解后，出來變成氫液、氧液的氣液混合物，這就需要先進行氣液分離，分離后的氫氣再進入純化裝置，進行脫氧、干燥，得到更高純度的氫氣后儲存，分離出來的氧氣回收利用或排空。

在這套裝置里面，還專門設置了一個余熱利用裝置。“像這種電解水，額定工作溫度在80℃左右，電解過程中會產生熱量，這個余熱利用裝置就是把這些熱量進行回收利用。”現場人員介紹，所回收的這些熱量可直接用于海水預處理，這也是這套電解海水制氫裝置為什么能耗比較低的一個原因。

道理簡單，但從研發到投運，研發團隊卻是花了大力氣的。既要成功進行電解海水制氫，又要通過創新手段，在每個步驟中精益求精，使得能耗、氫氣純度等各項指標更加完美。從一臺1千瓦電解海水小試裝置，初步驗證電解海水制氫技術路線可行性，擴大為具備工業化條件的10千瓦電解海水裝置，再到500千瓦級電解海水中試裝置，接受工業化應用的檢驗，研發團隊一步步攻破卡脖子技術，使得500千瓦量級的電解海水技術成功落地。

“目前，媽灣電廠這項中試示范工程已投入試驗運行，直流能耗、氫氣純度等各項指標優于設計標準。”深圳能源集團項目人員表示，如今項目先行在陸上條件開展，試驗等級為500千瓦，形成的成果用于后續另行開展擴大規模的試驗或海上場景的試驗驗證，最終以使用規模化可再生能源電解海水制氫實現海上風電制氫產業化的目的。

技術突破 推動首臺裝置集成

現有的電解水制氫技術大多需要以淡水或純水為原料，隨著氫能需求的不斷增長，勢必會對淡水資源造成威脅。一些科研團隊將研究對象開始轉移到儲量豐富的海水資源。

而海水制氫，最大的難點在于海水中氯離子的氧化、腐蝕、結晶。海水組成復雜，其中富含的氯離子會在陽極表面發生析氯反應，影響產氧效率，海水中的微生物和細菌會毒化陰極電解材料，需要電解材料具有較強的抗腐蝕性。

據介紹，電解海水制氫技術采用了新型抗腐蝕電極材料，這種材料可以適應海水環境，從根本上降低腐蝕程度。而且由于采用了價格低廉的非貴金屬催化劑，電極的成本較低，方便未來電解海水設備生產規模擴大并推廣應用。

除了電極材料之外，電極尺寸也有了新的突破。一般實驗室里面的海水制氫實驗，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，已經可以做到產氫100標準立方米了。

科技創新助推項目成果轉化，從實驗室里把催化劑材料合成，確保其工藝的均勻和穩定，然后再將電解槽裝配好，還要繼續裝配其他系統，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，這樣整個集合起來構成了首臺套集成的完整的電解海水系統。

“在中試項目中，我們首次把整個500千瓦的系統做出來。它在技術上面的創新突破不只是在單點突破，還包括催化劑材料的選擇、微結構、電極極板的設計方式等等，這樣一整套下來，能夠促進系統能耗的降低。”深圳能源集團項目人員表示，能耗降低，相當于發同樣的電量，可以多出10%的氫產量。

瞄準方向 三方合作未來可期

其實從2019年起，深圳能源集團就瞄準了海水制氫技術方向，在全球遴選優勢技術資源，聯合研發技術攻關，聚合資源技術突破，謀求產業化發展。

經過調研，深圳能源集團與已成功孵化近30家上市企業，具備項目開發、項目管理經驗的深圳清華大學研究院，以及技術處于國際領先地位的海水電解制氫技術團隊——深圳清華大學研究院下屬海洋氫能研發中心及產業化公司達成合作意向。

一個是能實現技術產業化的公司，一個是對產業孵化有較豐富經驗的機構，還有一個是有原創技術的技術團隊，三方一拍即合。經過一番技術攻關，終于把海水電解制氫技術從實驗室里帶到了中試階段，離技術商品化就差最后一步了。

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

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、水質變換工況下高效電解的行業瓶頸，是全球單體規模最大、首個百標方級電解海水制氫示范工程，下一步則是進行規模化電解海水制氫。

基于500千瓦電解海水制氫裝備的順利產業化示范應用，三方也將進一步建立產業合作，賦能海上風電制氫產業化。此外，在氫能產業鏈中下游，深圳能源集團也已布局，通過相關高效安全的儲運技術，解決氫氣儲運難題，并通過大型氫燃氣輪機實現能量轉換，進行氫能-電力/熱能的高效轉化，預期實現制儲運用的氫能全產業鏈布局，為構建綠色、低碳、高效的能源體系貢獻更多力量。

談及未來產業發展方向，深圳能源集團相關負責人表示，氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，海水電解制氫可以擺脫大規模制氫對淡水的依賴，并解決深遠海可再生能源輸送難、就地消納難問題，亦可拓展到西部鹽堿水、油氣田采出水制氫，解決西部大規模可再生能源制氫淡水資源匱乏的問題，產業前景廣闊。

“這項技術適合海水的場景，也適用于鹽堿水的場景，在新疆、青海、內蒙古，甚至國外的如中東地區，也有發展的前景。等這項技術規模化應用之后，可以向這些地區推廣。此外，對于垃圾滲濾液等廢水，這項技術也有應用的可能性。”深圳能源集團相關負責人透露。

可以理解為，這個制氫裝置是可以“吃粗糧”的，不同水的水質成分可能不同，通過一些有針對性的研究和設計，能夠實現高含鹽水的電解制氫。