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獨創！他，中國工程院院士，成果入選「中國十大科學進展」，繼Nature后再發Nature子刊！

成果簡介

利用豐富的海上風能從取之不盡的海水中直接制氫，為實現可持續能源工業和燃料經濟提供了一條有希望的途徑。各種直接海水電解方法已被證明是有效的在實驗室規模。然而，目前研究仍缺乏在波動的海洋中完全沒有腐蝕和副反應的更大規模的現場演示。

深圳大學/四川大學謝和平院士、劉濤研究員，東方電氣（福建）創新研究院有限公司劉泰生等人首次考慮了海洋波動條件，實現了波浪運動環境下的海水電解。本文介紹了在興華灣成功實現風力發電的浮式海水電解系統的規模化，并集成了一個1.2 Nm³ h^-1規模的中試系統。在波動的海洋條件下(波浪高度0~0.9 m，風速0~15 m s^-1)，電解能量消耗為5 kWh Nm^-3 H₂，穩定電解運行超過240 h，氫氣純度(>99.9%)可與陸上電解水相媲美。在復雜多變的環境下，電解質中雜質離子的濃度較低且長期穩定。作者確定了關鍵系統組件的技術挑戰和性能，并研究了這一新興技術的未來前景。

相關工作以《In-situ direct seawater electrolysis using floating platform in ocean with uncontrollable wave motion》為題在《Nature Communications》上發表論文。這也是謝和平院士團隊繼《Nature》后在海水直接電解制氫領域的另一重磅研究成果，詳細報道可見：

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同時，這項研究成果也成功入選2022年度中國科學十大進展，專家高度評價道：“謝和平院士團隊開創的海水原位直接電解制氫的全新原理與技術，徹底避免了電解水制氫對純凈水的高度依賴，將形成從獨創性原理、顛覆性技術、國產化裝備到特色電解制氫產業模式的零碳氫能發展路徑，有望加速推進形成多能互補的中國原創‘海洋綠氫’全球新興戰略產業，開啟無需純水的制氫新時代！”詳細報道可見：

同時，謝和平院士團隊與東方電氣集團聯合打造的全球首個海上風電無淡化海水原位直接電解制氫平臺已在福建進行海上中試，試驗成果可見于此篇文章。

全球首個海上風電海水無淡化原位直接電解制氫海試成功

圖文導讀

在之前的《Nature》工作中，作者已經提出了水相變遷移驅動的海水電解。該策略是通過將疏水多孔膜作為氣路界面，并使用濃KOH溶液作為自潤濕電解質(SDE)來實現的。在運行過程中，海水和SDE之間的水蒸氣壓差引起海水側的自發海水氣化，水蒸氣通過多孔膜擴散到SDE側，在SDE側被吸收再氣化。當水遷移速率等于電解速率時，通過“液-氣-液”機制實現連續穩定的水遷移，為電解提供淡水(圖1a)。

作者研制了386 l h^-1制氫規模的示范型海水電解槽，在深圳灣海水中以250 mA cm^-2的低能耗5.0 kWh Nm^-3 H₂，長期穩定運行3200 h以上。該策略實現了高效、靈活和可擴展的直接海水電解，其方式類似于淡水分解，而不會顯著增加運營成本，在海洋中具有很高的實際應用潛力。為了進一步驗證在海洋中整合可再生能源的大規模應用的可行性，必須在波動波條件下進行海水直接電解的綜合試驗。

圖1 波動海洋環境中的水遷移行為

海洋中海水的濃度是影響電解的關鍵因素。具體而言，不同海洋區域的海水成分不同(圖1b)，導致海水與SDE之間存在明顯的蒸氣壓差異，從而影響水遷移速率和電解平衡。為了研究海水和SDE之間的關系，提出了一個詳細的理論模型。當興化灣海水濃度接近2.98 wt%， KOH溶液濃度為30 wt%時，界面水蒸氣壓差為~1.28 kPa，低于深圳灣海水與SDE的水蒸汽壓差(~1.51 wt%)(圖1c)。

另外，海浪的波動主要通過對傳質面積的影響來影響系統。遷移速率取決于瞬時傳質面積，這表明水遷移質量是隨時間變化的積分函數。為了研究和比較波動環境中水質傳遞的差異，在各種模擬海浪模式(平靜、恒定、脈沖、潮汐和湍流模式)下進行了水遷移行為測試(圖1d)。與平靜模式相比，波動環境下的水遷移質量值略大。一方面，運動海水與膜的接觸面積越大，單位時間內的水遷移質量增加；另一方面，海水的運動可以抵消膜表面鹽水濃度的瞬間增加。在波高為2.9、3.2和3.4 cm，波長分別為54.5、59.4和62.3 cm時，水遷移率分別為~0.0136、0.0177和0.0194 g_H2O g^{-1 SDE} min^-1(圖1e)。

本文提出的動態平衡可以克服海洋的這種波動。如前所述，水的遷移行為可以通過調節水蒸氣壓差隨濃度的變化而自我調節。如初始電解速率超過水遷移速率，則SDE濃度增加，導致水蒸氣壓差增大；因此，水遷移速率也隨之增加，以匹配電解速率，達到動態平衡。另外，在實驗室進行了模擬波動環境下海水電解500 h耐久性試驗。催化劑和膜孔的SEM圖像證明了該系統在這種動態環境下的適應性和穩定性。

圖2 海試平臺概述

就地直接海水電解的千瓦級浮動系統由海洋中的可再生能源驅動(圖2a)。包含儲能系統的不間斷電源(UPS)在調節穩定功率方面發揮著重要作用，確保間歇風條件下綠色能源持續輸入設備(圖2b)。集成電流轉換、海水電解、H₂檢測和輸送模塊的技術示意圖如圖2c所示，其中1.2 Nm³ h^-1 H₂尺度下的海水電解模塊基于先前提出的相變遷移策略，由3個示范型電解槽并聯組成。氫氣檢測模塊內置冷凝裝置對氫氣進行凈化，得到高純度的氫氣，供后續運輸利用。每個冷凝裝置每天接收約700~900毫升的冷凝溶液，可以進一步補充到電解槽中。

海水電解模塊是浮式海水電解平臺的重要組成部分，每個電解槽浸入海水中，最大海水遷移面積為13168 cm²。水遷移界面由具有氣路的疏水聚四氟乙烯(PTFE)膜組成。為了使電解槽適應不同的海洋環境，在運行前根據海水參數(溫度、濃度等)計算系統參數(如膜孔隙、膜厚度、SDE濃度等)與海水傳質率之間的關系至關重要。

由于通道設計，電池堆內外的電解質不斷交換，基本上保持30 wt%的濃度。由于電解過程中大量水的快速消耗，電極表面的溶液濃度增加。然而，氣體流動也驅動了堆周圍的電解質交換過程，特別是氧氣促進了電解質溶液的流速，有利于電解質的更新。此外，生成氫氣的氣體流量從下向上逐漸增大，這可能對電解液的阻力產生了影響，氫氣流量驅動陰極腔內KOH電解液的更新和傳質。

考慮到原位直接海水電解平臺的獨創性和規模，必須克服設計和操作方面的重大挑戰。為了減輕與波浪有關的波動，作者建議包括一個與海洋相連的海水艙，使波浪不直接影響電解槽；相反，波浪波動通過浮動平臺本身被部分抵消(圖2d)。該方法保證了實際海水的適用性。此外，可以通過添加一定的配重和錨來減少晃動。

圖3 利用近海可再生能源的海洋就地直接海水電解平臺

位于福建省福州市興化灣的10兆瓦海上風力發電機組是大型風電場網絡的一部分(圖3a)。在該能源網絡中，風力發電機組的運行基于最佳能量捕獲和功率輸出考慮。通過調整葉片角度和渦輪機轉速，每個風力渦輪機在風速范圍為3至25 m s^-1的情況下捕獲和轉換風能。發電量與瞬時風速有關，如圖3b所示。選取5月17日至18日900分鐘的數據進行分析。在此期間，風力機的最大和最小發電水平分別為10.16 MW和0.73 MW。

風速的波動會導致風力渦輪機的輸出功率不穩定，這對AWE電解槽來說是一個挑戰。因此，采用帶儲能裝置的UPS來穩定渦輪機的輸出電壓。UPS可穩定輸出19.8 kW的功率，為浮式海水電解平臺提供持續的能量輸入，多余的電量存儲在儲能裝置中。當海上風力不足以驅動風力機時，儲能裝置作為主要電源，為浮動平臺提供穩定的電壓。這樣的設計可以保證制氫過程的穩定性。

為了保證浮式平臺在海洋中的穩定性和安全性，采用有限元模擬分析了8級風(~17.2 m s^-1)和1 m有效波高下浮式平臺的運動、壓力和應力分布。如圖3c所示，錨架處出現最大應力(~286 MPa)，浮平臺體濕表面流體壓力最大為~13041 Pa。這些值低于所使用的船舶結構鋼的屈服應力，確保了浮動平臺的足夠強度。

圖4 在不受控制的波動海洋環境中進行耐久性測試

在興華灣海水中，各電解槽電解電流為957 A，波浪高為0.3~0.9 m，風速為0~15 m s^-1的不受控制的波動海洋環境下，平臺系統在240 h以上的時間內表現出良好的穩定性能，能耗為~5.0 kWh Nm^-3 H₂(圖4a-d)。每個電解槽在250 mA cm^-2時的電壓分別為~2.14、2.12和2.14 V，比實驗室測試電壓高~0.1 V。

氫氣純度達到99.9%以上，滿足商業使用要求。長期電解后，SDE中Cl^–、Mg²⁺、SO₄^2-等雜質未見明顯增加；電解槽的離子阻斷效率達到99.99%以上(圖4e)。SDE保持潔凈，沒有沉淀形成。以上研究進一步說明了該系統能夠承受一定的波浪沖擊。SEM分析顯示，即使經過長期操作，催化劑層仍保持其原始形態(圖4f)。此外，KOH SDE的OH^–濃度穩定在25~28%之間，表明在~23℃的平均海水溫度下，體系的電解速率和水遷移速率趨于一致。

運行10天后檢查PTFE膜，SEM分析顯示膜上有明顯的孔隙，表明沒有明顯的生物污染或孔隙堵塞(圖4g)。長期運行后，疏水PTFE膜的接觸角為~147.05°(含KOH液滴)和150.18°(含興化灣海水液滴)(圖4h)，驗證了多氟結構的適宜環境耐受性。為了確認PTFE膜的傳質性能不受海水波浪或雜質的影響，進一步進行了水遷移行為試驗，并將試驗結果與試驗前膜的性能進行了比較。如圖4i所示，PTFE膜在使用10天后的平均水遷移量為~0.097 g_H2O g^-1 ^SDE min^-1，與新膜相似(0.096 g_H2O g^-1 ^SDE min^-1)。

文獻信息

In-situ direct seawater electrolysis using floating platform in ocean with uncontrollable wave motion，Nature Communications，2024.

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49639-6

原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/07/01/de12526ca0/

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