从“地球最大氢矿”——海洋中取氢！中石化大连院取得阶段性进展

电解海水制氢技术示意图。

大连院海水制氢科研装置。

海水资源储备丰富，电解海水制氢市场前景广阔。但相较常规电解水制氢，海水中约3%的盐含量及杂质中的氯离子对电解海水制氢关键材料和关键设备提出了更高要求。电解海水制氢难度有多大？如何破解这一难题？

在全球能源转型的浪潮中，氢能作为“21世纪终极能源”，凭借清洁、高效、可持续的特性，在能源领域掀起变革风暴。它不仅为交通领域的低碳化转型提供了解决方案，还可助力工业脱碳，在化工、冶金等行业大显身手，推动“双碳”目标加速实现。

然而，制取1千克氢至少要消耗9千克水，在传统电解水技术路径中，巨量的淡水资源消耗是制约氢能产业发展的关键瓶颈之一。 科学家把目光投向海洋，海洋覆盖地球约71%的面积，是地球上最大的氢矿，从海水中取氢成为未来氢能发展的重要方向。

电解海水制氢方式双管齐下

相较常规电解水制氢，电解海水制氢对关键材料和关键设备提出更高要求。目前，电解海水制氢技术主要分为海水淡化与碱水制氢（AWE）或质子交换膜（PEM）制氢耦合；直接以海水为原料进行电解海水制氢。

电解海水制氢需消耗大量电能。在我国沿海地区和海域，风能、太阳能等绿电资源和海水资源都很丰富，具备绿电生产绿氢的资源优势。电解海水制氢不仅节省宝贵的淡水资源，而且能将不稳定且较难储存的绿电资源转化为相对容易储存和消纳的绿氢资源。

海水中约3%的盐含量及杂质中的氯离子，会对电解设备电极造成腐蚀，阳离子的沉积可能堵塞设备孔道，降低电解效率甚至损坏设备。这些亟待解决的技术难题，成为电解海水制氢产业化的拦路虎。

相较常规电解水制氢，电解海水制氢对关键材料和关键设备提出更高要求。目前电解海水制氢技术主要分为两种：一是海水淡化与碱水制氢（AWE）或质子交换膜（PEM）制氢耦合；二是直接以海水为原料进行电解海水制氢。目前，多数示范装置均采用第一种技术路径，海水淡化与碱水制氢均具有较高的技术成熟度且易实现工业化应用。

电解海水制氢技术分为以膜系统为核心的海水无淡化电解制氢技术和以耐腐蚀材料为核心的电解制氢技术。海水无淡化电解制氢技术通过特殊膜材料与碱水制氢电解槽耦合匹配，利用浓度驱动原理将海水中杂质离子与制氢电解槽循环液进行有效隔离，以此实现海水稳定制氢，该技术的核心是膜材料的开发，本质上电解槽内仍为纯水。以耐腐蚀材料为核心的电解制氢技术则是通过匹配耐腐蚀、高活性的电极、高传质极板及特定工艺来消除杂质离子对制氢工况的影响，以实现装置稳定运行。

电解海水制氢技术取得积极进展

电解海水制氢技术将与海上风电等可再生能源发电技术相结合，实现深远海可再生电力的就地消纳，大幅降低电力传输和制氢成本，形成以绿氢为核心的海上可再生能源综合利用新模式。

20世纪70年代初，科学家提出电解海水制氢的构想。半个世纪以来，国内外研究团队一直在进行相关研究，电解海水制氢技术攻关接连取得进展。

2021年，中国石化大连院在集团公司科技部的支持下，积极布局电解海水制氢技术，并取得阶段性进展。针对海水中杂质离子的影响规律，项目团队通过耐腐蚀电极材料、高传质流道设计及特定电解液净化模块的开发，在克服杂质离子对制氢工况影响的同时，实现多产品并行生产，进一步提高了海水的综合利用率。

2023年2月，澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究人员宣布，通过由掺氮磷化镍钼片制成的新型催化剂，可以直接从海水中产生高效、低成本的绿色氢气。同年4月，美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究团队在《焦耳》杂志发布最新研究成果，称把海水输送到双膜系统和电力设施中，可将氢气从海洋中分离出来，且不会产生大量的有害副产品。

6月，由谢和平院士团队与东方电气集团联合开展的全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术在福建兴化湾海上风电场中试成功，项目采用3台0.4标准立方米/小时样机并联，每小时总处理量达1.3标准立方米，为海水制氢产业化进程加速带来了希望。

2024年6月，深圳能源集团牵头深圳氢致能源有限公司和深圳妈湾电力有限公司联合开发的首个百标准立方米级电解海水制氢示范工程在深圳妈湾电厂开展示范应用，制氢量100标准立方米/小时，海水制氢技术和实践呈现“井喷式”推进。

7月18日，谢和平院士团队与东方电气联合开展的10标准立方米/小时海水无淡化直接电解制氢样机试运行顺利突破240小时。

12月12日，中国石化大连院联合青岛炼化公司围绕电解海水制氢技术涉及的关键材料、设备及工艺进行相关研发并取得重大技术创新突破，建成我国首个工厂化海水制氢科研项目，装置产氢量为2×10标准立方米/小时，产出的氢气符合GB/T37244-2018燃料电池车用氢气要求，直接并入青岛炼化厂内氢气管网，加快了电解海水制氢技术的工业化进程。

12月20日，全球首台（套）兆瓦级电解海水制氢装置在中海油能源发展股份有限公司兆瓦级电解海水制氢示范中试基地试运行成功。

2025年3月，北京化工大学孙晓明团队在《自然》杂志发表文章，揭示了耦合波动性可再生能源电解海水过程中制氢阴极存在的氧化与腐蚀等问题，并基于此提出原位构建多层钝化结构以抵抗停车工况下阴极的氧渗透，为消除碱性电解槽和阴离子交换膜电解槽耦合波动性能源瓶颈提供了解决方案。

业内专家表示，电解海水制氢技术将与海上风电等可再生能源发电技术相结合，实现深远海可再生电力的就地消纳，大幅降低电力传输和制氢成本，形成以绿氢为核心的海上可再生能源综合利用新模式。

规模化应用面临多重挑战

技术大型化发展面临挑战，电能的成本较高及可再生能源电力供应不稳定，电解海水制氢技术及安全相关标准与规范不完善。

尽管电解海水制氢产业化已取得积极进展，但实现大规模、持续稳定发展仍面临挑战。

首先，技术大型化发展面临挑战。海水成分复杂，包含92种化学元素及大量微生物，这给直接电解海水制氢带来诸多挑战，特别是目前已突破的技术大多集中在中试阶段且运行时间较短，从中试到工程化放大阶段仍有很多问题需要解决。

其次，电能的成本较高及可再生能源电力供应不稳定。制氢装置与波动电源之间的匹配性、兼容性问题会给设备稳定运行带来新挑战，阻碍海水制氢产业化发展。同时，电解海水制氢整体成本偏高，在制氢市场占有率低，海水制氢技术商业化的迫切性不足。

最后，海水制氢技术及安全相关标准与规范不完善。相比常规电解水制氢，电解海水制氢对水质原料的包容性更高，需明确不同杂质最高阈值，促进海水制氢行业规范化发展。

针对以上问题，大连院海水制氢技术研发团队提出建议。一是以国有大型能源企业研发机构为主体，依托重点实验室、重大科技项目、重大科技专项等，打造大型化应用示范案例，加速海水制氢技术的大型化研发示范。

二是多渠道保障绿电稳定供应，加大研究力度，在沿海地区建立海陆电网互联机制，依靠风电、水电、光电等多能互补，保证制氢端的稳定供电，并将绿电稳定供应与储能相结合，实现制氢装置的稳定供电，降低电力并网费用。

三是建立完善的技术和安全的相关标准与规范体系，促进行业健康发展，建立不同区域海水品质数据库，形成区域性定制化的海水制氢技术库，提高技术应用的灵活性。

新闻会客厅：电解海水制氢意义重大

梁 峰 青岛炼化正高级工程师

张胜中 大连院高级工程师

问：氢能相关政策、规划对青岛炼化有哪些利好因素？

答：“十四五”以来，鼓励氢能产业发展的各项政策和相关规划持续发布。2021年9月，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出，加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用，统筹推进氢能“制储输用”全链条发展。2021年10月，国务院关于印发《2030年前碳达峰行动方案》的通知要求，加快氢能技术研发和示范应用，探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021~2035年）》。此外，诸多省市和央企、国企也对氢能产业进行了前瞻布局。

根据相关鼓励政策和氢能规划要求，青岛炼化充分依托自身优势，建设了山东省“十四五”氢能产业重大示范试点项目青岛氢能资源基地，首创化学精制法技术产出青岛市第一车燃料电池氢，建成青岛市首座公用加氢站，开我国“碳中和”加氢站和石化生产企业独立建设经营公用加氢站先河。目前，青岛炼化成为青岛市氢能供应链第一公司，拥有青岛市唯一的燃料电池氢供应中心。

青岛炼化提出“向光要电、向海要氢”技术攻关路线，不断提升氢能“产研加”示范园建设水平。目前，氢能“产研加”示范园已成为科技部和山东省联合推进的“氢进万家”科技示范工程的示范点，氢能生产基地、科研基地和加注充装基地均已实现正常化运行。示范园内的电解海水制氢科研攻关项目，正是结合了山东省和青岛市海上风电、光伏等可再生电力资源丰富，但淡水资源又相对匮乏的区位特点，对探索和丰富“氢进万家”具有积极的示范意义。

问：如何解决氢能储运难点并加以应用？

答：青岛炼化拥有近20年的氢能项目建设和生产运行经验，在常规氢能运输和储存方面，拥有一定的工程和应用经验。从众多涉氢企业相关项目及装置的建设和运行经验来看，落实制度、严格执行安全设计和运行规范，氢能生产和储运过程中的安全风险和产品质量都是可控的。电解海水制氢所产氢气完全满足青岛炼化生产过程所需氢气的安全和质量要求。目前，项目处于科研攻关阶段，科研装置产出的高品质氢气并入青岛炼化管网系统，并与炼化生产、氢能车辆加注过程关联。

问：电解海水制氢科研项目投用有哪些示范意义，下一步工作有什么打算？

答：我国首个工厂化电解海水制氢科研项目在青岛炼化建成投用，具有众多优势和示范意义。一是降低了科研项目投资和攻关成本，依托青岛炼化全天候运行的工厂化公用工程系统，不再需要为科研项目单独投资建设和运行配套系统；二是有效回收利用了科研过程中的产品，在增效的同时，避免了排放大气可能导致的环保和安全问题；三是为前沿技术在工厂实现拓展应用提供了可能，电解海水制氢技术攻关成功，可进一步用该技术处理同样具有高含盐特性的石化废水，为探索工业废水资源化利用提供了一种可能路径。

下一步，青岛炼化将与大连院持续开展海水制氢工厂化、规模化应用攻关，力争建设示范装置，积极探索通过氢能技术消纳沿海地区和海上的绿电资源，以及石化企业高含盐废水资源化利用的技术路径。

问：电解海水制氢相比其他电解水制氢技术有哪些优缺点？

答：电解海水制氢技术具有独特优势，一是海水储量极为丰富，约占地球总水量的97%，为氢能产业提供了近乎无限的原料供给；二是将放弃的海上风电转化为氢能，提高了海上风电利用率，促进深远海可再生能源开发；三是进一步推动沿海绿氢产业发展；四是拓宽了电解水制氢的原料来源，降低了对水质的要求。目前，电解海水制氢也存在不足，例如，海水中的氯离子对金属等具有极强的腐蚀性，海水中的钙、镁离子极易在过程中结盐结垢堵塞设备和管路，另外，也存在氯离子被电解为氯气而造成产品质量污染等问题。

问：沿海地区如何消纳绿电生产的绿氢？

答：将普通的淡水处理为高洁净度的纯水，再利用风电、光伏等可再生绿电能源来电解水制氢，生产零碳排放的绿氢，用于驱动氢能车辆和氢能船舶，也可作为原料用于炼油、化工等生产过程。海水资源丰富，若能结合海上或沿海地区风电、光伏、潮汐等可再生绿电资源生产绿氢，将对氢能产业发展具有重要意义。同时，海上绿电直接转化为高能量密度的氢能，向氢能船舶加注，在一定程度上解决了海上绿电长距离输送和存储面临的难题。近期，大连院和青岛炼化探讨了兼顾海水制氢和浓缩电解液耦合炼化生产梯级利用技术，已形成初步的降本方案，下一步主要攻克技术难题，进一步降低应用成本，启动工业示范项目前期工作。

问：电解海水制氢成本较高，其意义何在？

答：目前，淡水制氢技术已较为成熟，但沿海地区或海上淡水资源紧张，而可再生电力资源相对丰富，以海水作为制氢原料将是未来氢能和氢储能发展的一个重要方向。电解海水制氢确实面临腐蚀、氯气副产物、杂质干扰等诸多技术挑战，但若技术突破成功，其意义将远超传统电解淡水制氢，主要体现在三个方面：一是构建电解海水制氢与炼化企业生产耦合工艺流程，将电解海水过程中产生的固体、浓液、气体与炼化生产过程的特定工艺实现物料互供或梯级利用，形成电解制氢过程不产生污染物的闭环系统，使电解海水制氢技术具有一定的经济性和持续研发的可行性；二是为沿海地区开启海洋氢电能源时代，海洋风光或潮汐洋流提供绿电，绿电制氢提供化工生产氢气原料，开发即时波动、长期稳定的氢电供应技术，实现化工生产动力或原料零碳排放；三是打开海洋资源宝库，如果仅仅考虑电解海水制氢，则忽略了海洋中丰富的锂、镁、重水等自然资源，将电解海水制氢与海水高价值资源耦合，能够为人类提供数十万年的清洁能源。