中科院大连化物所，最新Nature Energy！

250 kW海水联产系统实现电解废热制氢与淡水

海水制氢因海水资源丰富而受关注，但直接海水电解稳定性差、能效低。海水组成复杂：阳极氯析出副反应加剧电极腐蚀，阴极Ca²⁺、Mg²⁺沉淀降低析氢效率，带电杂质堵塞隔膜或离子交换膜。串联“海水淡化后淡水电解”虽可规避部分问题，但淡化单元资本密集且需额外能源。最成熟的碱性水电解（AWE）电效率约70%，约30%未利用电能转为80–90°C低品位废热；此类废热工业难回收，还需水冷设施移除，进一步增加能耗并消耗淡水。利用废热驱动淡化可同时实现低品位热能增值并保障电解淡水，但少有淡化技术兼容80–90°C热源：反渗透成熟却电驱动，膜蒸馏受膜润湿、结垢和污染限制。真空蒸馏是无膜替代方案，可在<90°C减压下运行，但与AWE耦合以废热驱动淡化尚未探索。因此，高效、经济的海水制氢仍是关键科技挑战。

鉴于此，来自中科院大连化学物理所邓德会研究员和刘艳廷副研究员开发了一种通过耦合碱性水电解与低温淡化，从海水联产氢和淡水的系统（STHW）。电解槽低品位废热驱动海水蒸馏，产生淡水供电解和外部使用。20 kW工业中试系统实现3.8 Nm³ h⁻¹ H₂和1.2 kg h⁻¹淡水的联产，并稳定运行100天；放大至250 kW后，实现48 Nm³ h⁻¹ H₂和31.6 kg h⁻¹淡水，系统电效率相对单独淡水碱性电解提高14.4%。技术经济分析表明，该耦合过程比传统“淡化后电解”串联工艺更具盈利性。在陆上风电电价US$0.033 kWh⁻¹和太阳能电价US$0.049 kWh⁻¹下，平准化制氢成本分别为US$2.1和US$2.9 kg⁻¹ H₂。相关论文以题为“A 250-kilowatt system for co-production of hydrogen and fresh water from seawater”发表在最新一期《nature water》上。

图 1 | STHW工艺示意图

过程可行性分析

在过程可行性分析方面，根据电化学水分解总反应H₂O→H₂+0.5O₂，每生产1 m³ H₂需水0.8 kg。在80–90°C工业反应温度区间，热平衡条件下制氢理论能耗约3.52 kWh Nm⁻³ H₂（图2a）。实际电解槽还需额外能量驱动离子迁移并克服膜与电路阻力，这部分最终转化为低品位废热；计算显示废热输出随电解槽能耗线性增加（图2b）。基于工业碱性水电解槽当前4.5–5.0 kWh Nm⁻³ H₂的能耗，电效率为70–78%，相应废热输出高达1.0–1.5 kWh Nm⁻³ H₂。为利用这些废热并满足电解水需求，研究设计了STHW过程，策略性地用废热通过低温海水蒸馏生产淡水。蒸馏包含蒸发和冷凝两个相变过程（图2c）。降低压力可使海水在更低温度下沸腾，从而强化蒸发；海水沸点还与其盐度相关，当盐度从原始海水的2.5%增至浓海水的12%时，沸点仅略有升高（图2d）。为确保蒸发和冷凝高效传热，海水沸腾温度须低于80–90°C废热温度，同时高于冷却介质温度。图2e表明，总汽化热（包括潜热和显热）随沸腾温度升高从0.68略微增至0.71 kWh kg⁻¹。对STHW系统而言，废热输出及其利用率共同决定淡水生产率（图2f）。当工业碱性水电解槽废热输出为1.0和1.5 kWh Nm⁻³ H₂时，废热利用率需分别高于56%和37%，才能确保淡水生产率超过电解所需的0.8 kg Nm⁻³ H₂。

图 2 | STHW 工艺的可行性分析

系统设计

STHW系统简化流程与物料流如图3所示，图1则给出STHW过程示意：可再生电力供AWE产H₂和O₂，电解废热驱动淡化，产生淡水供电解和外部使用，副产浓盐水。海水作为原料和冷却介质，经过滤去除固体杂质后进入废热回收与蒸馏塔。在塔内，海水先流经底部换热器，被碱性水电解槽废热加热蒸发为水蒸气，再通过海水上方丝网除雾器去除夹带雾滴，最后在塔顶由海水冷却的冷凝器冷凝获得淡水。部分淡水经去离子后进入电解槽补充电解水耗，多余淡水可用作饮用水和农业用水。电解部分中，30 wt%氢氧化钾水溶液作为电解液泵入电解槽阴极室和阳极室，产生H₂和O₂并分别带入H₂-碱液和O₂-碱液分离器；气体释放后，碱液循环并通过废热回收与蒸馏塔换热器移走废热，同时维持电解在80–90°C适宜温度。氢气流经脱氧塔、氢气冷却器和氢气干燥器纯化，获得高纯H₂；纯化过程中产生的水返回淡水罐供电解槽回用。为高效稳健利用废热，换热器采用商用2205双相不锈钢，因其在85°C下热导率19 W m⁻¹ K⁻¹且耐海水腐蚀。换热器设计为双功能：同时作为海水蒸馏蒸发器和AWE循环碱液冷却器，替代仅用于电解槽冷却的单功能换热器。换热器采用多程盘管结构，所需传热面积基于热能守恒原理，由电解槽废热总热负荷、总传热系数及冷却碱液与沸腾海水间对数平均温差确定。总体而言，STHW系统通过能量流和物质流互补利用简化了平衡装置，并降低了传统AWE冷却单元和独立海水蒸馏加热单元的资本成本。

图 3 | STHW 系统的简化流程和物料流

系统性能

为验证STHW过程可行性，研究构建了20 kW工业中试STHW系统，以海水为原料联产氢和淡水。废热回收与蒸馏塔的蒸发温度是高效回收利用废热的关键因素。图4a显示，当塔内绝对压力从15.5降至8.0 kPa时，海水蒸发温度从55°C降至41°C，与图2d计算结果吻合。低于49°C时，淡水生产率可满足水电解槽自需并同时联产淡水。随着蒸发温度继续降低，淡水联产增加；在44°C时，淡水联产达到最大值1.2 kg h⁻¹，随后略降（图4b）。略降主要源于中试中水蒸气冷凝限制：作为冷却介质的海水供应有限，不得不闭路循环，导致热量积聚、阻碍排热并破坏蒸气压平衡。在最佳蒸发温度44°C下，STHW系统废热利用率达到最大，系统电效率相对传统单独淡水碱性电解提高9.0%（图4c）。进一步通过调节水电解槽能耗研究废热输出对废热回收利用性能的影响：图4d显示，废热输出随电解槽能耗增加而显著增加，废热利用率保持在约85.1%；剩余约14.9%废热通过若干不可避免路径耗散，包括浓盐水排放带走大部分、真空泵移除小部分、高温电解液循环环境暴露损失以及气液分离中产物气体带走。在2.7–3.8 Nm³ h⁻¹较宽制氢能力范围内，STHW系统可在产氢同时从海水联产淡水，且淡水联产随制氢能力增加而增加（图4e）。与海水真空蒸馏制淡水再电解制氢的串联过程相比，在氢和淡水生产率相当、淡化工艺相同但仅与电解槽分离的条件下，STHW过程系统能耗降低17.7%（图4f）。最后，在3.8 Nm³ h⁻¹恒定制氢能力下评估20 kW系统长期稳定性：100天运行期间，STHW系统水电解槽能耗保持4.4 kWh Nm⁻³ H₂，废热利用率在约88.5%高水平波动，系统电效率相对传统单独淡水碱性电解提高9.0%（图4g）。图4h给出100天运行中淡水联产及其盐度和总溶解固体浓度。放大至250 kW后，图5a为250 kW海水联产氢和淡水设备照片；40天运行稳定性测试中，采用每日启停、4小时稳载，氢气生产率从37 Nm³ h⁻¹提升至48 Nm³ h⁻¹，系统电效率提高14.4%（图5b）；淡水联产31.6 kg h⁻¹，并监测其盐度和总溶解固体浓度（图5c）。该250 kW系统H₂纯度达99.9999%。

图 4 | 20千瓦STHW系统的性能

图 5 | STHW 系统的性能

技术经济分析

由于示范规模实施中的限制，250 kW STHW系统的海水蒸馏过程配置为单级。对工业规模STHW系统，有必要将AWE与多级蒸馏耦合以回收水电解槽废热。为此，研究对等产能工厂建模，包括STHW系统、海水多效蒸馏后接AWE、海水反渗透后接AWE；每个工厂设计每天生产50吨氢和9,285吨淡水。STHW系统中，水电解平衡装置相关能耗和水耗相对串联基准降低（图6a），因为无需单独去除电解槽废热。通过将电解槽废热重新用于淡化，STHW系统仅消耗1.38 kWh m⁻³ H₂O，显著低于海水多效蒸馏后接AWE的42.27 kWh m⁻³ H₂O和海水反渗透后接AWE的6.06 kWh m⁻³ H₂O。STHW过程总系统能耗比海水反渗透后接AWE串联系统低约5%。耦合设计还消除了专用电解槽冷却基础设施：将传统仅用于冷却的单功能换热器转变为同时冷却电解槽并作为海水蒸馏蒸发器的双功能部件，从而在不增加单独热管理设备的情况下，将资源消耗过程转为价值创造过程，并完全省去传统冷却子系统（如冷却塔或冷水机）。因此，STHW系统中AWE单元相关机械平衡装置资本成本更低（图6b）。此外，与海水反渗透后接AWE路线不同，STHW系统避免了反渗透膜更换的经常性费用。STHW工厂年度成本分解显示，电费占总成本很大份额，表明其经济可行性高度依赖电价。进一步比较不同电价下STHW系统与传统串联系统的年工厂成本，工业规模STHW工厂成本更低、经济竞争力更强。在US$0.01–0.05 kWh⁻¹电价下，STHW系统平准化制氢成本相对海水反渗透后接AWE串联系统降低6–9%（图6c）。基于陆上风电项目和公用事业规模太阳能光伏项目的全球加权平均平准化电力成本US$0.033和US$0.049 kWh⁻¹，在容量因子97%假设下，STHW工厂平准化制氢成本分别为US$2.1和US$2.9 kg⁻¹ H₂（图6d）。当前氢市场价为US$3.9 kg⁻¹，容量因子高于60%时工厂即可盈利。总体而言，在政府倡导廉价可再生电力、绿氢和海洋经济的激励下，STHW系统有望具备经济可行性。

图 6 | STHW工艺的技术经济分析

结论与展望

研究建立了一条工业可扩展路线，通过耦合AWE与低温真空蒸馏，从海水联产氢和淡水。20 kW工业中试系统分别实现3.8 Nm³ h⁻¹ H₂和1.2 kg h⁻¹淡水；放大至250 kW工业示范单元后，输出增至48 Nm³ h⁻¹ H₂和31.6 kg h⁻¹淡水，整体系统电效率相对传统单独淡水碱性电解提高14.4%，证实了工艺技术可扩展性。技术经济分析进一步表明，耦合STHW过程比传统“海水预淡化后电解制氢”串联路径，如海水反渗透后接AWE和海水多效蒸馏后接AWE，更具盈利性。该工作为能效高、可持续的大规模海水制氢和淡水生产开辟了有前景的途径。尽管进展显著，优化机会仍存，挑战仍在。未来研发应优先推进高性能电催化剂以提高AWE单元能效；优化蒸馏单元中电解槽废热回收的热管理，探索先进高导热材料或涂层以提高传热效率；并利用人工智能进行预测控制和工艺参数优化，以最大化整体系统性能和运行效率。