刘泰生：海水直接电解水制氢突破，成本降至0.3元/立方米-刘泰生、科工力量

【采访/观察者网 周远方 整理/袁逸泓】

12月16日，深圳大学/四川大学谢和平院士团队与东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院有限公司签署“海水无淡化原位直接电解制氢原创技术中试和产业化推广应用”的四方合作协议。

图自《深圳商报》

观察者网：海水直接电解制氢是困扰世界半个多世纪的难题，它主要面临的难题是哪些？

**刘泰生：**从海水制氢概念提出后，全世界就在不断探索。迄今为止50多年，效果仍然不理想。

电解海水制氢，有两种路径，第一是先淡化海水，再进行制氢，这是现有各种技术的结合。第二是海水直接电解制氢，即把电解槽泡在海水里直接操作。近50年来，海水直接电解制氢的进展还不足以达到走出实验室，更不用提商业化。目前仅仅能够在实验室里持续100-200个小时。海水成分复杂，里面有多种元素、离子化合物等，在电解过程中会发生竞争性反应，导致失效。

举例而言，在阴极，氢离子变成氢气，同时，钙离子、镁离子也会发生反应，生成氢氧化钙、氢氧化镁，产生固体物质。一旦累积，就会沉积在催化剂或电极表面堵塞导致失活，从而使整体效率下降，无法进行电解。这是在阴极上可能发生的问题。在生成氧气的阳极，由于存在氯离子，在生成氧气的同时会生成氯气，这是竞争性副反应。氯气生成后溶解在水里会生成次氯酸，造成腐蚀。这些问题也导致了一系列后续问题的发生。

这是最典型的发生在海水直接制氢领域的问题，在阴极和阳极上会发生沉积、腐蚀、堵塞、失活等各种问题。根本原因是，由于海水成分复杂，可能同时存在多种竞争性副反应，引发不可预料的结果，目前还没有完美的解决方案，因此传统的海水直接电解制氢领域进展一直不明朗。

观察者网：为什么纯水淡化这条路线也不经济呢？

**刘泰生：**海水通过设备进行淡化，存在两方面问题。第一，设备成本高；第二，设备占地大。过去，膜技术没有突破时，只能通过热法进行淡化，不但成本高，而且需要热源，很麻烦。即使后来膜法被发明，电费与反渗透膜的成本也较高。此外，海水通过膜法淡化后，还面临着浓缩废水处理问题，也需要额外设备与成本。尤其是在某些特殊应用场景，不具备相应空间条件。同时，整体系统检修和维护工作量也较大。总而言之，海水淡化至纯水再电解，成本较高，占地较大。因此，虽然这条路理论上行得通，但从经济性上有一定挑战，国内外也少有人尝试。

观察者网：请您谈一下这次物理力学过程和电化学反应相结合的直接海水制氢原理。

**刘泰生：**如果大家对这个原理感兴趣，可以直接去看《自然（nature）》上的这篇论文，其实已经讲得很清楚了。我可以再简化一下，便于大家理解，可能跟与论文的内容不一定完全对应。

海水无淡化电解制氢的原理是什么？

电解水制氢领域，市场占有率最高且成熟度最高的主流技术是碱性电解水制氢，占据电解水制氢领域99％以上市场份额，是最主流、经济性最好、单位功率最高的技术。其电解液是30%浓度的氢氧化钾溶液，而海水是3%盐浓度的溶液。氢氧化钾溶液中水的摩尔浓度明显低于海水中水的摩尔浓度。按照传质的基本原理，由于浓度差，海水中的水会自然向碱性电解液流动，这是一个自驱动的过程。

这时，如果设置一个膜，只让水分子通过，不让其它离子通过，就实现了向碱性电解液补水的效果。碱性电解液中的水分子在电解过程中不断被消耗，而海水中的水分子利用膜的选择性渗透作用，不断补充到碱性电解液里面，从而实现动态平衡，源源不断地对海水中的水进行电解。这项技术适用于最普通、最经济的碱性电解液，通过海水和碱性电解液中水的摩尔浓度差进行自驱动，不需要任何外来电力就可以实现，这就是其原理与优势所在，与传统利用反渗透膜进行海水淡化的原理不一样。

海水无淡化原位直接电解制氢原理的部分图解，图自谢和平院士团队在《自然》杂志上表的论文《A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation》

观察者网：既然这个原理一直成立，为什么之前没有走这条路？这次的突破在哪里？

**刘泰生：**虽然原理看似通俗易懂。但过去我们一直拘泥于传统路线，仍然按照传统海水直接电解的思路，强调如何调整催化剂、改进电极、调整电解液等。

谢和平院士团队走上这条路是多学科交叉、跨界研究的成果。谢院士从事多种跨界研究，将补水原理运用于海水制氢的想法，是在另一案例中探讨失败原因时获得的灵感。他山之石，可以攻玉。这是突破传统思维的新路径，彰显了多学科综合和学科交叉对创新的促进推动作用。

观察者网：这次从原理突破到中试进展非常快，您刚才提到的膜，也是一个前沿的领域，我们在工程上已经比较成熟了吗？是否只要达到原理的突破，就能够很快实现？

**刘泰生：**不能这样说。如果只是在实验室里对初级品进行实验，可以不断改进和调整，完成小批量的工作，这是可以胜任的。但是，如果要实现工业上的大规模应用，还有很长的路要走。还有很多问题需要解决，例如表面改性、改进抗拉伸、抗冲击、抗疲劳以及抗腐蚀性能，还有抗海洋生物附着能力等。有些问题在实验室里面发现不了，需要在真实海洋场景里才会逐渐暴露出来。在膜的方面，还不成熟，从原理突破到实现工业生产的路上，还有很多问题。

由东方电气集团与中国工程院谢和平院士团队联合研制的全球首套与可再生能源相结合的漂浮式海上制氢平台“东福一号”

观察者网：能否请您介绍一下目前中试的进展？据报道称，原理样机在真实海水中稳定制氢超过3200个小时，4个多月，而从去年11月底论文在《Nature》发表，到现在正好是接近的时间。在论文发表时，是否中试已经在进行？

**刘泰生：**我们公司在与谢院士签订了产业化合作协议后，经过了一段时间的前期准备过程才开始中试。至于为什么我们进展如此迅速，有几个原因。

首先，从企业角度出发，公司投资获得知识产权的共享，并与谢院士团队达成了独家产业化合作关系。在这以后，尽快实现经济效益，将投资变现为产品，是我们的责任和义务，也是我们的驱动力。

其次，公司认同谢院士所提出的原理以及其技术途径。作为企业，我们了解市场对于海水淡化与氢能发展的趋势与需求。这是巨大的驱动力，驱动我们尽快落实，把技术推向市场。

第三，与企业文化有关。东方电气成立之初是一家三线企业，与东部或沿海企业相比，公司是在相对困难的情况下发展壮大起来的。我们企业文化本身也有自力更生、自主创新、敢闯敢试的价值观。

关于谢院士的技术成果，东方电气并不是第一家被寻求合作的伙伴。在我们之前，有很多名声、实力、规模都远胜于我们的企业被征询过合作意愿。甚至在东方电气集团内部，我们也不是第一志愿的合作伙伴。我所属的企业是东方电气（福建）创新研究院，规模相对较小。我们很幸运，能够理解技术，抓住机遇，希望尽快变现成为市场产品，这是我们内生的驱动力。

中试的各项工作是在今年春节前开始的，我们加班加点，效率比较高，才能在5月底完成。

**观察者网：**咱们工程应用方面的基础也比较好？

**刘泰生：**确实如此。作为装备制造行业的企业，公司在这些年有很多积累，在生产制造、投运调试等，都有良好的基础。其次，我们了解市场需求与痛点。我们最大的优势是，能够把先进技术、市场需求及自身装备制造能力相结合，这也是能够快速进入市场，快速进行研发的优势。

观察者网：能不能谈谈克服了哪些困难？

**刘泰生：**困难比较多。首先，对于我们来说，氢能也属于跨界领域。东方电气是从事发电设备生产的，涉及各种燃煤火力发电（锅炉、汽轮机）、风电设备、核能发电设备等。进入氢能领域属于跨界，虽然有一定的基础，但是并不扎实。好在氢能行业是新兴的，本身历史较短，积累较少，所以迈过门槛也较容易。

2021年，东方氢能产业园正式动工，将是国内首个制储用一体化多场景氢能全产业技术应用示范园。图自《中国电力报》

在这方面，企业首先专门建立了强大的综合专业人才队伍。在中试方面，我本人（国家高层次人才特殊支持计划人才）带队，队伍里有4个博士，其余的是985、211毕业的硕士，是个硕博联合团队。同时，团队成员的专业齐备，有动力工程、化工、机械、电气等，能够解决现场、实验、制造各方面的问题。目前，我们的队伍共有12人。

其次，东方电气（福建）创新研究院是去年8月30日成立的，绝大部分团队成员都是去年10月份后才入职的。新企业与新人在创业创新过程中的好处是，没有思想包袱，没有既得利益，没有固定思维，具备一个创业团队的良好面貌。在产业突破方面，精气神非常重要。要有敢闯敢拼的精神，突破传统思维与惯性，用新知识冲击传统理解。

最后，我们尽可能让一线团队掌握自主权。在研发过程中有很多困难，比如如何将风力发电机输出的大幅波动的交流电转化为稳定不间断供应电解槽的直流电，如何克服海风、海浪造成的浮体晃动对电解槽安全稳定运行的影响？类似这些困难，需要把现场决策权、技术更改权、技术拍板权，全部下放到现场。这是克服困难，加快进度，解决问题的有效方式。不要层层批准请示，如果团队觉得合适，只要不违规，我就支持。

观察者网：困难能不能再展开一些？

**刘泰生：**比如电流的变化。海上风力发电机输出的电力，原位电解制氢需要输入的电力，二者是不一样的。海上风力发电机输出高压交流电，要稳定转化为几伏的直流电。这个电流的变化过程看似简单，实际困难很大。海上风电功率不稳定，如何通过整流变化实现电的平稳输出？进行电流、电源的变化管理，还要维持经济性，这是很花心思的。

再比如海上电缆。随着潮涨潮落，电缆一会儿拉直甚至快要绷断，一会儿过松甚至快要飘走。为了解决海上漂浮式浮体供电的电缆问题，我们想了很多办法，最后终于用半固定式浮筒的方式把电缆固定住。同时，还有自转式的、自收紧的、自收放的装置，适应潮汐的变化，使得电缆长度能够自然适应海洋洋流和潮汐变化的需求，这些问题只有现场才能感受到。

另外，如何能够让漂浮体尽可能稳定在海面上，如何加固，增强抗风浪能力，也很不容易。

观察者网：要解决您说的这些具体问题，其实要用到很多设备装置。能不能谈谈产业基础和上下游供应链的支持？

**刘泰生：**在兴化湾边上的三峡产业园里有一家东方电气的子企业，东方电气风电（福建）有限公司，提供产业支持，从事加工、维护、改造、吊装、检修等业务。同时，东方电气集团在兴化湾还有一家从事海上风电维护检修的公司，能够提供电气方面的服务工作与安全工作。本次出海的安全工作，都是由当地东方电气子企业专门派遣的安全员完成的，包括安全督查、安全检查、安全防范等，使得实验得以顺利开展。本地产业链上的各个企业，以及业主方（三峡集团）都给予了很大支持。我们用的风机位于三峡集团兴化湾海上风电场，是由东方电气集团设计制造之后卖给三峡集团的。本次出海，我们得到了上下游兄弟企业各个方面的支持帮助，也有助于我们解决现场的很多问题。还有地方政府，尤其是福清市政府，给予我们全方位的支持和帮助。

三峡集团福建福清兴化湾二期海上风电场，福建省发改委供图

观察者网：您说的12人的核心团队，他的平均年龄应该非常年轻吧？

**刘泰生：**确实比较年轻。队伍中有10个人是去年10月份以后才加入到我们创新研究院。

这10个人基本上都是30岁以下，年纪最大的是一名刚毕业的博士，才28岁。他们从高校里接收各行业最新的知识，能很快理解海水制氢原理。所以，做新产业，要用最新的人，因为他们掌握行业里最前沿的、最先进的理念和技术。

观察者网：请您谈一下产业的经济前景。有报道称，电解能耗大约是每立方氢气5千瓦时,这个数据与目前纯水制氢的能耗较为接近。未来有没有可能进一步降低？

**刘泰生：**其实你仔细看我们的技术原理就会发现，它只涉及补充淡水的问题，并不涉及电解过程中的能耗。这个解决角度非常巧妙，与传统海水直接电解制氢不同的是，我们用先进的膜技术加上最传统、最成熟的碱性电解水技术合成新技术，其能耗与电解槽自身水平有关。电解槽的能耗低，整体能耗就低。

举例而言，在碱性电解水制氢方面，目前国内已经出现了每生成1立方米氢气消耗4.3度电的报道，较之于我们传统方式下每立方米5度电的消耗，是明显进步。未来在制氢的能耗上会有进一步降低，主要途径是电解槽技术的提升。

观察者网:您之前还强调，东方电气了解这方面的市场和需求，知道这个场景下可能这样做是非常有经济性的，能不能谈一下这方面的需求以及应用场景前景如何？

**刘泰生：**这方面有很多例子。

首先，深远海的能源开发。离岸100公里以上的海上风电资源非常丰富，风力远远高于岸上或近海。但深远海海上风电的问题在于，发的电无法输送回陆地。铺设海底电缆的代价和难度太高，面临着电能必须就地转化为产品的问题。

如果通过电解水制氢，在海上也面临缺少淡水的问题。因此，尽可能低成本地电解海水，是自然而然的方向。随着国家海上风电的发展，走向深远海是未来市场发展趋势。同时，能不能从空气中提取氮气，与氢一起合成氨，从而建立海洋化工厂？因此，深远海能源利用对海水电解制氢提出了非常大的需求。

第二，中国对氢的需求量很大。目前，大部分氢来自于煤化工制氢，或石油天然气制氢，碳排放高。一直有声音呼吁新的氢气来源，这是国内很多地方的共同需求。同时，中国也存在很多电力富余的情况，尤其是在西北地区，甚至东南沿海某些地区，电网无法消纳，电力存储成本太高，浪费又太可惜，如果能够用于海水制氢是最好的。

对于海水制氢或非淡水制氢，市场需求是真实迫切的，也是行业痛点。从这个角度出发，我们认同这个技术，对其市场价值有深切感受。

观察者网：也有报道介绍，这个原理可以推广到多元化水资源，例如河水、废水、盐湖等，直接原位制氢。您刚才也提到，比如西北弃风弃光的现象比较突出。能否再展开谈谈多元化水资源制氢的利用前景？

**刘泰生：**多元化水资源利用前景非常好，在内陆应用范围非常广，只要废水、污水的水摩尔浓度高于碱性电解质的水摩尔浓度，这项技术就可以应用于很多非淡水的情境。例如在西北的酒泉、哈密地区，电价非常便宜，但是电送不出来，也消耗不掉。这些地方缺水，无法实现淡水制氢。但是城市总有废水，比如居民生活废水、苦咸水、盐湖水等，都可以制氢。在其他省份，比如火电厂有各种脱硫废水，经过简单预处理后，都可以运用我们的技术进行制氢。

现在很多可再生能源所产生的电力富余，对高效经济地制氢提供了很大支持。它的适应面非常广，几乎放之四海皆可用。

所以最近对我们这项技术感兴趣的，除了从事海上业务的企业以外，还有很多内陆企业，比如油气田开发企业、煤化工企业、火电企业等。业务开发出来后，来自于内陆的需求，可能比沿海的需求更多。

观察者网：有很多行业，例如煤化工，如果在制氢后继续生产一些精细化工产品，就要用到氢气，是不是有很多氢气生产出来以后可以就地消化？

**刘泰生：**可以。我举个简单的例子，有些企业从事煤基多联产，就是先通过煤生成热解气，再用这些气体制成高价值化学品。这个过程会产生很多煤焦油，一般利用起来比较复杂。但是只要有氢气，煤焦油就可以简单地被利用，转化为更高质量的化学品如汽油和石脑油。

很多从事煤化工与煤基多联产的企业，就是缺氢气。实现电解废水制氢后，对它来讲，完全就把循环链给补齐了。这类企业最近对我们业务感兴趣的比较多，这是一个例子，在很多其他地方也有这种需求。比如油田采油后的废水，也可以用我们的技术制氢。有些地方甚至可以在制氢后直接转化成合成氨，或者直接转为其它更高附加值的化学品。

氢气用途广泛。图自美国能源部报告《Energy Storage Grand Challenge Roadmap》

观察者网：我们一些读者可能不太了解这个产业的新进展，认为氢能的存储、运输可能还是不太方便，成本可能比较高，会质疑说西北弃风弃光，既然电送出来不太经济，把它变成氢气，然后运出来是不是也不太经济？换言之，氢能路线的产业落地是不是比较遥远，这是一个相对普遍的质疑。

**刘泰生：**这个问题我想扩展一点回答，氢能发展，现在到了一个怎样的时机？

几年前，如果你问我这个问题，至少我当时的态度是对氢能的发展不乐观。我会告诉投资者，最近不要投这个产业，还看不到希望，往往我会补充一句话，在可再生能源极大丰富，且电价极其便宜的基础上，氢能产业才会迎来它的高光时刻。

从发展的趋势上来看，我认为现在已经到氢能发展的拐点了。几年前大家的担忧都是合理的，但是现在拐点已经成立了，因为最重要的前提是，现在的可再生能源极其丰富，极其便宜。

这里可以举个例子，电价能便宜到什么样的程度？现在海上风电设备价格是5000元/千瓦，每年可以用4000小时，寿命是25年，可以发10万度电。简单计算一下，加上合理的运维成本，一度电成本只要6分钱。如果企业本身既是发电企业，又是制氢企业，自己建海上风电，自己制氢，一立方米制氢成本是3毛多，一公斤制氢成本是4元。当然，这种计算比较简单，没有考虑资源出让成本、税费和财务成本等因素。总的来看，未来风电、光伏制氢综合成本达到10元每公斤氢气是完全可以实现的。尤其在可再生能源取得了巨大突破，海水制氢突破了淡水资源约束后，“绿电制绿氢”的成本已经非常便宜。这是供应方面取得的巨大进步。

制氢成本进一步下降，会使得需求方面出现巨大爆发。市场上氢的需求很大，只是过去氢的价格太贵。如果氢能足够便宜，会激发出很多市场需求。

几年前谈氢需求，一直围绕着氢燃料电池车方面的应用。实际上，氢能在其它领域有更多用量，更大需求。第一个领域是化工和冶金。例如刚才介绍的煤焦油，煤的多联产，再包括石化，都需要氢气。以前对氢的需求被高氢价掩盖了，只能用别的产品替代；现在很多地方都在谈氢冶炼，炼钢过程不再用碳，转而用氢，钢的品质会更高，甚至给国家钢铁冶炼行业带来翻天覆地的变化。

第二个领域是储能，特别是长期储能。短期储能方面有锂电池，长期储能方面目前公认的两种途径，一是抽水蓄能，二是储氢。随着国家新型电力系统不断发展完善，新能源供应越来越大，储能需求也越来越高。储氢需求自然也相应增加。氢越便宜，储氢的经济性就越好，需求量就越大。随着可再生能源制氢价格的降低，储氢行业竞争力会越来越强，市场需求量会越来越大。

第三个领域是碳中和。实现CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage,二氧化碳捕集、利用和封存),大规模利用二氧化碳，并且产生一定经济价值，必然需要利用氢能。未来碳中和最能解决规模化和具有经济性的重要途径之一就是二氧化碳加氢的催化反应生成以甲醇为代表的化工产品。在化工行业，俗话说“甲醇生万物”，有了甲醇，就能再生产乙烯、聚酯等各种物质，这样碳中和的价值化就实现了。所以，未来氢能在碳中和领域会发挥巨大作用。二氧化碳制甲醇，甲醇作燃料烧了之后再收集，这样就能形成碳循环。

CCUS技术示意图，图自论文《我国碳捕集利用与封存技术发展研究》，发表于中国工程院院刊《中国工程科学》2021年第6期

总之，氢能在未来产业领域里运用会越来越广泛，因为它有两方面的推进，可再生能源制绿氢的成本极大下降，使得对氢需求呈现爆炸式增长。低价、高需，这两者结合后，氢能产业已经出现了拐点。

此外，在整个氢能产业链上，也出现了很多新技术。

第一，固态储氢使得储运成本进一步下降，安全性进一步提高。以前都是用气瓶来储氢，现在固态储氢安全性更高，存储量更大。

第二，在管道输运方面，氢与天然气混合输运，这些话题也慢慢提上议程，使得氢的运输与使用更加经济。

第三，氢制氨。把氢和氮气结合起来生成氨，运输后再分解为氢和氮。

综上，氢的储存运输，在这几年得到蓬勃发展，使得大家以往对其经济性与安全性方面的担忧得到进一步缓解。供应、需求、运输存储等方面的问题在这几年里面都得到了极大解决，所以氢能行业快速发展，有需求就有投入，有投入就有办法降成本。只要市场规模扩大，行业发展马上会进入快车道。

**观察者网：**您刚才说了不少前提、场景以及生态，中国氢能产业的发展情况与欧、美、日的对比情况怎么样？

**刘泰生：**他们也经历过一次反复。整体而言，10年前，日本、欧洲比中国先进。尤其是在欧洲，关于绿能等话题讨论较多，欧洲的海上风电技术、陆上风电技术确实比中国领先。当时中国很多风电企业、太阳能企业要到欧洲去学习技术、购买技术。当时他们在政策上也较激进，在整体环境与技术上都领先于中国。

但是在目前阶段，形势已经发生了逆转。

首先，从可再生能源角度出发，无论是风电还是太阳能，中国已经走在世界前列。整个风电的效率、规模、单机功率、成本都远远领先于欧洲，太阳能也是一样。中国的可再生能源，包括水电，全面领先于世界各国，这为制氢打下基础。

在氢领域，各方面业务都取得了明显突破，尤其是储氢，是以前美、欧、日所忽略的部分。长期以来，西方一直用储氢罐来储氢，如果我们继续走这条路线，可能一直跟在后面，永远无法实现领先。现在，国内在固态储氢、氨氢转化等新路径上取得了很好的成效。

由于氢能价格偏贵等原因，欧、美、日氢能产业一度进入低谷，比如丰田虽然在很长一段时间内把氢燃料电池的专利握得很紧，但是因为干不下去，所以干脆全放开了，希望得到社会广泛应用，把汽车产业带动起来。为什么他们放开了？当时在日本国内也没办法，走不下去了，全世界都进入了一个低谷期。这几年，他们慢慢从低谷期爬起来了，也制定了相应氢能的支持计划或开发计划。现在很多欧洲国家也在开展“绿电制绿氢”的大规模尝试，比如几家公司在挪威海上开展海水淡化后，再用海上风电制氢，再合成氨等。但是整体而言，从目前来看，中国氢能产业发展至少不落后于欧、美、日的发展。从市场角度看，中国比他们的机遇应该更好一些，也许未来氢能最大的市场机遇就在中国。

2022年5月，欧盟推出REPowerEU计划，提出在2030年之前要达到年产1000万吨可再生氢的能力。

**观察者网：**最后一个问题，很多网友朋友关心这个产业会不会面临某些环节的“卡脖子”？

**刘泰生：**目前来看，基本上都已经实现国产化，比如我们的海水制氢，整套设备，从风电设备到电缆、电解槽，再到所有监控、电源系统，全部实现国产化，换言之，如果这条路线继续走下去，全国产是没问题的。

储运方面刚才我也讲到了，储氢罐可以实现国产化，固态储氢也可以全国产化，氨氢转化也基本全国产化。至于氢燃料电池里有一些关键催化剂确实是进口的，掌握在西方手里，这是事实。但我个人相信，通过几年努力，也可以达到完全国产化。氢燃料电池问题解决后，氢能产业链全国产化基本就没有阻碍了。

关于氢化工、氢冶炼，我相信以中国人的智慧和能力，肯定能解决这个问题。虽然现在还没有开始用氢冶炼钢铁，但是我相信，只要开始干，肯定没问题。再比如，中国有很多地方已经开始尝试氢与二氧化碳的合成，甚至于有些地方已经合成淀粉。我认为，整个产业链，从技术、生产及市场都已经打通了，除了极个别的点需要努力以外，基本上已经可以实现完全国产化。

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