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海洋绿氢:将海水“资源”变“能源” ——解读2022年度中国科学十大进展(四)
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:3409    更新时间:2023/7/24         ★★★

“绿氢”是未来能源结构的核心。目前传统的电解水制氢高度依赖纯净水,预计2050年全球每年将在氢能生产上消耗62.1亿吨纯净水。在淡水资源匮乏的时代,制氢用水从何而来?

海水占地球总水量的97.5%,向大海要水制氢是未来理想、可持续发展的方向。然而,由于海水复杂成分引起的腐蚀性和毒化问题,海水制氢面临着诸多挑战。

当前,海水制氢最成熟的技术路线是通过反渗透设备进行淡化处理后再电解,并在荷兰、德国等国开展了规模化示范工程项目。但该类技术严重依赖大规模淡化设备,工艺流程复杂且占用大量土地资源,进一步增加了制氢成本与工程建设难度。

自20世纪70年代科学家提出海水直接电解制氢的概念以来,国内外多家知名研究团队围绕催化剂工程、膜材料科学等进行了大量探索研究,旨在破解海水直接电解制氢面临的析氯副反应、钙镁沉淀、催化剂失活等难题。然而,迄今为止,未有突破性的理论与原理彻底避免海水复杂组分对电解制氢的影响,可规模化的高效稳定海水直接电解制氢原理与技术仍是世界空白。

针对这些挑战,我们的研究团队首次从物理力学与电化学相结合的新路径,开创了海水无淡化无额外耗能的原位直接电解制氢全新原理与技术。通过在海水与电解液间构建微米级的气液相平衡界面,利用两者的饱和蒸汽压差为水迁移动力,使海水中的水以水汽的形式跨膜转移,形成了界面压力差海水自发相变传质的力学驱动机制,实现了海水中杂质组分的完全分离,离子阻隔率100%,彻底解决了海水直接制氢存在的析氯、催化剂腐蚀、沉淀、膜堵塞等难题。

我们的研究团队实现了海水无能耗传质、电解质自激发驱动连续制氢、多相界面稳态自调节等多项原创技术突破,自主开发了全球首套386L·h^-1海水直接制氢原理样机,在未进行预处理的深圳湾海水中稳定运行超过3200小时,与工业碱性电解水能耗相似。在电解过程中,电解质内的杂质离子含量始终比海水相应离子低4个数量级,真正实现了无淡化过程、无额外能耗、无催化剂腐蚀、无副反应的规模化海水直接电解制氢的技术突破,有望真正将取之不尽的海水资源转变为海水能源。

该原理技术可探索推广到多元化水资源,如盐湖水、污水、废水、矿井水、油田产出水等直接原位制氢,为资源富集浓缩、污水环境的协同治理和能源生产提供多效利用新思路和新技术,有望形成污水、盐湖水电解制氢新产业,扩展电解水制氢技术的想象空间。此外,随着我国可再生能源逐步走向深远海,在风电大规模并网消纳难、远距离输送成本高的局限下,这种海水直接电解制氢新技术,将成为海上风电大规模开发利用的破局关键。通过在海上风机平台上模块化装配制氢系统,就地使用天然海水直接电解产氢,形成无淡化过程、无额外催化剂工程、无海水输运、无污染处理的原位海水直接电解制氢过程。

 

 

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