海水制氫裝置突破制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸

在深圳能源集團媽灣電廠（以下簡稱“媽灣電廠”）現(xiàn)場，一套500千瓦電解海水制氫系統(tǒng)已接入深圳市媽灣制氫加氫一體站。這臺全球首臺單體規(guī)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(shù)從實驗室邁向示范應(yīng)用。

成果轉(zhuǎn)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(shè)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(gòu)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(chǎn)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(xiàn)場工作人員介紹道。

據(jù)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(jīng)過電解槽的陽極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)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(jīng)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(shè)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(chǎn)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(xiàn)場人員介紹，所回收的這些熱量可直接用于海水預(yù)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(fā)到投運，研發(fā)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(chuàng)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(shù)路線可行性，擴大為具備工業(yè)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(yè)化應(yīng)用的檢驗，研發(fā)團隊一步步攻破卡脖子技術(shù)，使得500千瓦量級的電解海水技術(shù)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(yōu)于設(shè)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(xù)另行開展擴大規(guī)模的試驗或海上場景的試驗驗證，最終以使用規(guī)模化可再生能源電解海水制氫實現(xiàn)海上風電制氫產(chǎn)業(yè)化的目的。

技術(shù)突破 推動首臺裝置集成

現(xiàn)有的電解水制氫技術(shù)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(zhuǎn)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(jié)晶。海水組成復(fù)雜，其中富含的氯離子會在陽極表面發(fā)生析氯反應(yīng)，影響產(chǎn)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(jù)介紹，電解海水制氫技術(shù)采用了新型抗腐蝕電極材料，這種材料可以適應(yīng)海水環(huán)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(shè)備生產(chǎn)規(guī)模擴大并推廣應(yīng)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(jīng)可以做到產(chǎn)氫100標準立方米了。

科技創(chuàng)新助推項目成果轉(zhuǎn)化，從實驗室里把催化劑材料合成，確保其工藝的均勻和穩(wěn)定，然后再將電解槽裝配好，還要繼續(xù)裝配其他系統(tǒng)，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(gòu)成了首臺套集成的完整的電解海水系統(tǒng)。

“在中試項目中，我們首次把整個500千瓦的系統(tǒng)做出來。它在技術(shù)上面的創(chuàng)新突破不只是在單點突破，還包括催化劑材料的選擇、微結(jié)構(gòu)、電極極板的設(shè)計方式等等，這樣一整套下來，能夠促進系統(tǒng)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(fā)同樣的電量，可以多出10%的氫產(chǎn)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(shù)方向，在全球遴選優(yōu)勢技術(shù)資源，聯(lián)合研發(fā)技術(shù)攻關(guān)，聚合資源技術(shù)突破，謀求產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

經(jīng)過調(diào)研，深圳能源集團與已成功孵化近30家上市企業(yè)，具備項目開發(fā)、項目管理經(jīng)驗的深圳清華大學研究院，以及技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位的海水電解制氫技術(shù)團隊——深圳清華大學研究院下屬海洋氫能研發(fā)中心及產(chǎn)業(yè)化公司達成合作意向。

一個是能實現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司，一個是對產(chǎn)業(yè)孵化有較豐富經(jīng)驗的機構(gòu)，還有一個是有原創(chuàng)技術(shù)的技術(shù)團隊，三方一拍即合。經(jīng)過一番技術(shù)攻關(guān)，終于把海水電解制氫技術(shù)從實驗室里帶到了中試階段，離技術(shù)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(chǎn)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(zhì)變換工況下高效電解的行業(yè)瓶頸，是全球單體規(guī)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(guī)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(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用，三方也將進一步建立產(chǎn)業(yè)合作，賦能海上風電制氫產(chǎn)業(yè)化。此外，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中下游，深圳能源集團也已布局，通過相關(guān)高效安全的儲運技術(shù)，解決氫氣儲運難題，并通過大型氫燃氣輪機實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，進行氫能-電力/熱能的高效轉(zhuǎn)化，預(yù)期實現(xiàn)制儲運用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈布局，為構(gòu)建綠色、低碳、高效的能源體系貢獻更多力量。

談及未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，深圳能源集團相關(guān)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(guī)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(guī)模可再生能源制氫淡水資源匱乏的問題，產(chǎn)業(yè)前景廣闊。

“這項技術(shù)適合海水的場景，也適用于鹽堿水的場景，在新疆、青海、內(nèi)蒙古，甚至國外的如中東地區(qū)，也有發(fā)展的前景。等這項技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用之后，可以向這些地區(qū)推廣。此外，對于垃圾滲濾液等廢水，這項技術(shù)也有應(yīng)用的可能性。”深圳能源集團相關(guān)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(zhì)成分可能不同，通過一些有針對性的研究和設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)高含鹽水的電解制氫。