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谢和平院士海水直接电解制氢再登Nature子刊

编辑:土木高级账号    发布时间:2024-06-24 11:31    浏览次数:

2024年6月21日,谢和平院士团队在Nature Communications上发表了题为“In-situ direct seawater electrolysis using floating platform in ocean with uncontrollable wave motion”的研究成果。该研究基于谢和平院士团队2022年11月30日在Nature上发文开创的相变迁移海水直接电解制氢全新原理与技术,围绕在真实大海中实现海水直接制氢面临的海水多场耦合复杂工况带来的波动性等科学难题与工程空白,提出了抵抗真实大海不可控海洋波动环境的海水直接制氢全新路径与技术;系统研究了不同海水组分(深圳湾、兴化湾)浓度变化导致的界面蒸气压差差异,阐明了浓度动态变化下相变迁移过程的自调控自适应机制;首次揭示了在不同海浪波形(恒流、乱流等)、波高、波宽条件下的相变迁移过程规律与影响机制,表明了在海浪一定程度冲击下有利于防止界面浓度极化从而提升相变传质效果;基于界面传质面积动态变化规律建立了真实海浪波动下的相变迁移海水制氢理论模型,并在实验室模拟海洋环境下实现了500h以上稳定性,未发生催化剂腐蚀、毒性和腐蚀性,充分验证了电解系统、防水透气层等核心关键部件在复杂环境下的耐受性与抵御能力,为在真实大海不可控波动环境下规模化海水直接电解制氢提供了理论指导并奠定未来产业化发展基础。

波动环境下相变迁移海水直接电解制氢研究

为了进一步验证相变迁移海水制氢技术在真实大海中的可行性可靠性,谢和平院士团队与东方电气集团联合设计研制了1.2 Nm3/h海上可再生能源海水无淡化原位直接电解制氢漂浮平台,在福建省兴化湾3-8级大风、0.3-0.9米海浪干扰下,首次与海上风电直接对接,连续稳定运行10天,海水杂质离子阻隔率高达99.99%以上,制氢纯度达到99.9%-99.99%,首次构建了与再生能源相结合的一体化海水直接制氢全新模式,有望打造全球海上可再生能源直接海水制氢新赛道!

全球首个海上风电海水无淡化原位直接电解制氢海试成功

真实大海环境下(福建省兴化湾)海水直接制氢可靠性和稳定性

向大海要水来制氢是未来发展的重要方向。先淡化预处理后制氢是当前最成熟的海水制氢技术路径,目前已在全球多国开展规模化示范工程项目。但该类技术严重依赖大规模淡化设备,工艺流程复杂且占用大量土地资源,进一步推高了制氢成本与工程建设难度。上世纪70年代初有科学家提出,海水可否直接电解制氢呢?这半个世纪以来,美国斯坦福大学、法国国家科学研究中心、澳大利亚阿德莱德大学、中国科学院等国内外知名院校的研究团队通过催化剂工程、膜材料科学等手段进行了大量探索研究,旨在破解海水直接电解制氢面临的析氯副反应、钙镁沉淀、催化剂失活等难题。然而,迄今为止,未有突破性的理论与原理彻底避免海水复杂组分对电解槽制氢的影响,可规模化的高效稳定海水直接电解制氢原理与技术仍是世界空白!

针对前述挑战,谢和平院士团队通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应结合,开创了海水原位直接电解制氢全新原理与技术(Nature, 2022, 612(7941): 673-678.),建立了气液界面相变自迁移自驱动的海水直接电解制氢理论方法,形成了界面压力差海水自发相变传质的力学驱动机制,实现了无额外能耗的电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定海水直接电解制氢。自主研制的386 L/h H2原理样机在深圳湾海水中稳定制氢超3200小时,全面解决了多年困扰科技界和产业界的难题;完美破解了海水电解制氢领域的半世纪难题,实现了把取之不尽的海水当纯水一样直接用于电解制氢。该技术被评为2022年中国科学十大进展。

基于这一全新原理与技术,东方电气集团与谢和平院士团队专门研制了漂浮式海上制氢平台(9m×7m×3.5m)以及海上风电智慧稳定供电系统,首次实现了海上风电可再生能源和海水直接制氢的一体化技术,在真实大海中利用海上风电驱动海水制氢,突破了海上复杂环境、风电波动性对海水直接制氢的影响,形成了抗海洋复杂环境的相变迁移海水直接制氢原理技术,建立了针对海洋波动环境的相变迁移模型并研究了波动性海浪对相变迁移过程的影响,提出了可再生能源海水制氢漂浮平台的设计策略,验证了自主研发的全球首套海水直接制氢装备的可靠性与并联式运行的可行性,在3-8级海风、0.3-0.9米浪高的真实大海环境下连续稳定运行10天,为未来海洋能源装备开发提供了新思路。

该研究是海水无淡化原位直接电解制氢全新原理技术在产业化进程上跨出的坚实一步,该技术的推广应用将真正开辟集“海上风电等可再生能源利用-海水资源利用-氢能生产”为一体的全新海洋绿氢产业体系,可望形成无淡化、无额外催化剂工程、无海水输运、无污染处理的无额外能耗原位海水直接电解制氢全新模式,真正意义上将取之不尽的“海水资源”转化为“海水能源”!同时该技术未来可构建与海上可再生能源相结合的一体化原位海水制氢工厂,成为近深远海可再生电力大规模开发的破局关键,加速推进形成多能互补的中国原创“海洋绿氢”全球新兴战略产业!并助力我国形成从独创性原理、颠覆性技术、国产化装备到特色电解制氢工业模式的全链条式海洋绿氢发展路径,将为碳中和路径下的零碳能源提供中国方案、中国智慧、中国标准!

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