海水制氢联产淡水新技术

利用风能、太阳能等可再生能源产生的绿电驱动电解水反应制氢，对解决能源短缺和环境污染、实现“双碳”目标具有重要意义。近年来，我国海上风电装机容量持续大幅增加，截至2022年累计装机容量已突破3000万千瓦，约占全球54%，近岸/离岸海上风电就地消纳问题日益凸显。因此，发展基于海上风电的电解水制氢技术对我国海上风电、氢能产业的发展具有重大引领带动作用。然而，海上风电电解水制氢技术目前存在淡水资源紧缺、海水成分复杂、电极腐蚀严重等问题，亟需发展以海水为原料的绿氢制备新方法与新技术。传统碱性电解水制氢的电能利用率一般为65%至80%，未能利用的电能转化为低品位废热（80 ~ 90 °C）排放至环境中，造成了能源的严重浪费。在本工作中，研究团队利用电解水产生的废热作为海水低温制淡水的热源，建立了废热回收系统，并与海水低温淡化技术进行耦合集成，突破了电解水低品位废热利用的技术瓶颈，成功研发出海水制氢联产淡水新技术。相比传统淡水电解水制氢，该技术省去了废热移除所必需的换热器单元与淡水净化单元，减少了设备成本与能耗。在此基础上，研究团队基于自主研发的铠甲催化剂整体式电极，研制出25千瓦级海水制氢联产淡水装置。运行结果显示，以海水为原料可实现高效电解水制氢联产淡水，氢气产能可达3吨/年，氢气纯度≥ 99.999%，产生的淡水在满足自身电解需求的基础上，可额外联产淡水6吨/年，淡水电导率≤ 20 μs/cm，盐度≤ 0.04 ppt。同时，相比传统淡水电解水制氢装置，该装置可将碱性电解水制氢系统的电能利用率提高10%以上，证明了海水制氢联产淡水新技术的可行性与先进性。此外，由于该技术摆脱了对紧缺淡水资源的依赖，以成分复杂的非淡水为原料进行制氢，有望扩展应用到以内陆盐碱水、工业废水、火电厂废水、城市生活废水等作为原料的电解制氢领域。研究团队基于自主开发的铠甲催化剂，已研发出250千瓦级碱性电解水制氢系统和可供人体直接呼吸的系列电解水氢氧仪，并实现产业应用，已申请了62件相关专利，包括PCT/国际专利11件。目前，该海水制氢联产淡水技术已引起大连、天津、青岛等多个沿海城市政府和企业的广泛关注，研究团队正在研发更大规模的海水制氢联产淡水系统，有望为近岸/离岸海上风电规模化制氢提供具备核心竞争力的技术支撑，促进我国海上绿氢产业的发展。