近日，由深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)與東方電氣集團(tuán)聯(lián)合打造的全球首個(gè)海上風(fēng)電無淡化海水原位直接電解制氫原理技術(shù)裝備在福建海試成功。本次開展的海上風(fēng)電和海水無淡化直接制氫耦合技術(shù)的海上中試示范，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過240小時(shí)。首次成功驗(yàn)證了由中國科學(xué)家原創(chuàng)的海水無淡化原位直接電解制氫原理與技術(shù)在真實(shí)海洋環(huán)境下，3-8級大風(fēng)、0.3-0.9米海浪強(qiáng)干擾下的依托海上風(fēng)電實(shí)施無淡化海水直接電解制氫的可靠性，構(gòu)建了與再生能源相結(jié)合的一體化海水直接制氫氫工廠，有望打造全球海上可再生能源直接海水制氫領(lǐng)域標(biāo)桿。

謝和平院士團(tuán)隊(duì)自2022年11月30日在Nature正刊發(fā)表海水制氫原創(chuàng)性成果后，破解了該領(lǐng)域近半個(gè)世紀(jì)的世界難題，被評為2022年中國科學(xué)十大進(jìn)展?；谶@一全新原理與技術(shù)，東方電氣集團(tuán)與謝和平院士團(tuán)隊(duì)專門研制了漂浮式海上制氫平臺（9m×7m×3.5m）以及海上風(fēng)電智慧穩(wěn)定供電系統(tǒng)。自2023年5月17日至26日，于福清市興化灣海域?qū)雍Ｉ巷L(fēng)電連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10天，首次實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電無淡化海水直接電解制氫的海試成功。

由第三方技術(shù)檢測機(jī)構(gòu)（四川質(zhì)檢院）的檢測數(shù)據(jù)表明：本次海試制氫規(guī)模達(dá)1.3 Nm³H₂/h，達(dá)到并超出設(shè)計(jì)值；電解能耗為5 kWh/Nm³H₂；在3-8級海風(fēng)、0.3-0.9米浪高的真實(shí)海洋環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10天后海水雜質(zhì)離子阻隔率仍然高達(dá)99.99%以上（與純凈水直接電解制氫效果相當(dāng)），制氫純度達(dá)到99.9% - 99.99%，穩(wěn)定性良好。

本次海試的全新原理技術(shù)無需海水淡化過程的成本及工程投入、無需海水輸運(yùn)過程的成本及工程投入、無需淡化后海水污染處理過程的成本及工程投入。故本原理技術(shù)成本僅是海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)（0.2-0.3元/度）×單位制氫過程能耗（5 KWh/Nm3），即11.2-16.8元/kg H₂，略高于煤制灰氫成本（9-12元/kg H₂），明顯低于天然氣制藍(lán)氫成本（20-24元/kg H₂）。隨著未來海上風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和上網(wǎng)電價(jià)下降，海水直接制氫成本有望低于煤制灰氫成本。本次海試是基于三套原理樣機(jī)（0.4 Nm³/套）并聯(lián)建立的設(shè)計(jì)值為1.2Nm³/h制氫規(guī)模的裝備系統(tǒng)，這次成功海試也可以作為未來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)式（10→100 Nm³/h）大規(guī)模海水直接制氫的直接驗(yàn)證。

“海上風(fēng)電等可再生能源利用-海水氫能生產(chǎn)”漂浮式平臺

可再生能源海水無淡化原位直接電解制氫平臺

開創(chuàng)海水原位直接電解制氫全新路徑

海洋是地球上最大的氫礦，向大海要水是未來氫能發(fā)展的重要方向。然而，海水成分非常復(fù)雜（包含92種化學(xué)元素），還含有大量微生物和懸浮顆粒，導(dǎo)致有害腐蝕性和毒性、催化劑失活、電解效率低等諸多技術(shù)瓶頸與挑戰(zhàn)。

為此，以海水為原料制氫形成了海水直接制氫和間接制氫兩種不同的技術(shù)路線。其中，海水間接制氫本質(zhì)上是淡水制氫，目前已在國內(nèi)外（德國、荷蘭、挪威、日本、英國、大連等）開展規(guī)?；痉豆こ添?xiàng)目，如荷蘭PosHYdon海上綠氫試點(diǎn)項(xiàng)目、西門子歌美颯Brand Hydrogen風(fēng)電制氫試點(diǎn)項(xiàng)目、德國Tractebel Overdick海上風(fēng)電制氫平臺項(xiàng)目等；2020年以來，我國也先后開展海水間接制氫項(xiàng)目，如大連潔凈能源集團(tuán)海水制氫產(chǎn)業(yè)一體化示范項(xiàng)目、明陽海洋能源立體化創(chuàng)新開發(fā)示范項(xiàng)目等。但該類技術(shù)嚴(yán)重依賴大規(guī)模淡化設(shè)備，工藝流程復(fù)雜且占用大量土地資源，進(jìn)一步推高了制氫成本與工程建設(shè)難度。自1970年代初Williams提出海水直接電解制氫的概念以來，美國斯坦福大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心、澳大利亞阿德萊德大學(xué)、中國科學(xué)院等國內(nèi)外知名研究團(tuán)隊(duì)圍繞催化劑工程、膜材料科學(xué)等進(jìn)行了大量探索研究。但是迄今為止的半個(gè)世紀(jì)以來，仍然未有突破性的理論與原理徹底避免海水復(fù)雜組分對電解制氫體系的影響，成為了近半世紀(jì)世界性難題。

針對前述挑戰(zhàn)，謝和平院士團(tuán)隊(duì)通過將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過程與電化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，開創(chuàng)了海水原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)，建立了氣液界面相變自遷移自驅(qū)動(dòng)的海水直接電解制氫理論方法，形成了界面壓力差海水自發(fā)相變傳質(zhì)的力學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了無額外能耗的電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定海水直接電解制氫，徹底隔絕所有海水離子的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無淡化過程、無副反應(yīng)、無額外能耗的規(guī)?；咝ШＫ恢苯与娊庵茪?，全面解決了多年困擾科技界和產(chǎn)業(yè)界的難題，完美破解了海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀(jì)難題，實(shí)現(xiàn)了把取之不盡的海水當(dāng)純水一樣直接用于電解制氫。該原理技術(shù)的發(fā)展將完全顛覆現(xiàn)有消耗純凈水電解制氫模式，迎來海水電解制氫2.0時(shí)代。正如Nature副主編Yohan Dall’Agnese高度評價(jià)：“很少有論文能夠令人信服地從海水中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；€(wěn)定制氫，但該成果恰恰做到了這一點(diǎn)。他們完美地解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的問題，將打開低成本燃料生產(chǎn)的大門，有望推動(dòng)變革走向更可持續(xù)的世界?！?/p>

打造全球首個(gè)海上風(fēng)電海水無淡化原位直接電解制氫示范工程

2022年12月16日，《Nature》論文發(fā)表后的僅僅16天，東方電氣便專項(xiàng)投入3000萬元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，并與謝和平院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)盟合作，共同推進(jìn)海水無淡化原位直接電解制氫產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

本次東方電氣與謝和平院士團(tuán)隊(duì)在福建省福清縣開展的1.2 Nm³H₂/h的海水無淡化原位直接電解制氫海上示范，利用東方電氣興化灣58號10MW大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供能，配備28kW輸出功率的儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)10天的穩(wěn)定制氫，法拉第效率近乎100%，能耗、實(shí)驗(yàn)效果與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的制氫效果相當(dāng)。同時(shí)，聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)還利用本次海試機(jī)會(huì)，開展了真實(shí)海洋復(fù)雜環(huán)境下的海水直接制氫綜合性能測評，分析對比了與驗(yàn)室制氫效果的關(guān)鍵差異，探索了海上可再生能源電力驅(qū)動(dòng)下對電解制氫與相變遷移過程穩(wěn)態(tài)平衡的影響，以及對電解設(shè)備核心材料及部件綜合性能的影響，獲取了寶貴的示范驗(yàn)證數(shù)據(jù)，為《Nature》頂刊發(fā)表的前沿成果盡快“走出實(shí)驗(yàn)室，走向產(chǎn)業(yè)化”探索了一條全新路徑。

海水無淡化原位直接電解制氫現(xiàn)場測試

謝和平院士指出：“這是我們邁向全球海水直接電解制氫新時(shí)代三步走策略當(dāng)中的第一步也是關(guān)鍵一步。我們真正耦合了海上可再生能源，并在海洋真實(shí)、復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了無需淡化的海水直接電解制氫。接下來，第二步我們將全力攻關(guān)第二代抗海洋環(huán)境干擾的海水直接電解制氫核心技術(shù)，迭代發(fā)展更高效、更高兼容性、更高穩(wěn)定性的第二代核心技術(shù)及裝備，始終保持無淡化海水直接制氫的原理與技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，引領(lǐng)全球非純水電解制氫新模式。第三步與東方電氣一起共同面向全球企業(yè)建立產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟來全面推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)我們團(tuán)隊(duì)將探索攻關(guān)第三代和第四代更規(guī)模化、更智能化的核心技術(shù)及裝備，引領(lǐng)海上風(fēng)電等可再生能源與海水直接電解制氫一體化全新工業(yè)模式造福人類！”

此次海試成功充分標(biāo)志著海水無淡化原位直接電解制氫在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上跨出了一大步，意味著正式邁入了海水直接電解制氫新時(shí)代。該技術(shù)的推廣應(yīng)用將真正開辟集“海上風(fēng)電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”為一體的全新海洋綠氫工業(yè)體系，可望形成無淡化、無額外催化劑工程、無海水輸運(yùn)、無污染處理的原位海水直接電解制氫全新模式，真正意義上將取之不盡的“海水資源”轉(zhuǎn)化為“海水能源”。同時(shí)未來可構(gòu)建與海上可再生能源相結(jié)合的一體化原位海水制氫工廠，成為近深遠(yuǎn)?？稍偕娏Υ笠?guī)模開發(fā)的破局關(guān)鍵，加速推進(jìn)形成多能互補(bǔ)的中國原創(chuàng)“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，并助力我國形成從獨(dú)創(chuàng)性原理、顛覆性技術(shù)、國產(chǎn)化裝備到特色電解制氫工業(yè)模式的全鏈條式零碳?xì)淠馨l(fā)展路徑，提供碳中和路徑下的零碳能源中國方案、中國智慧、中國標(biāo)準(zhǔn)。