氢气的燃烧产物是水，使用过程清洁无污染，发展零碳排放的电解制氢技术是实现“双碳”目标的重要途径。
近日，中国科学院电工研究所在太阳能高温电解制氢方面获进展，为减少化石燃料消耗和高效利用太阳能提供了新思路。
▲直接耦合式太阳能高温电解原理样机
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“高温电解” 更有优势
目前主流的电解制氢技术有三种，分别是碱性电解水、质子交换膜电解水和固体氧化物电解水蒸气，其中固体氧化物电解水蒸汽制氢需要的运行温度高达700~1000℃，所以也被称为高温电解制氢。
高温电解制氢的独特性在于，高温环境下各种“阻力”的降低。高温下，水分子以气态形式存在，扩散速度更快；离子电导率也随着温度升高而增大，同时，电极活性提高，反应速率加快。
因此，相比于其他电解制氢技术，高温电解制氢可以极大地降低电解制氢的能耗。但要注意，高温是关键！
▲间接耦合式5kW级太阳能高温电解制氢系统
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耗电？太阳能来“战”
高温电解方式虽然可以降低电解制氢的能耗，但是其工作温度要比环境温度高很多，维持高温电解700~1000℃的工作温度需要额外耗费能量。那么，这部分额外耗费的能量从哪里来就成了问题。
如果用电能来维持高温工作环境，就会把本来“省电”的高温电解制氢技术变成了“费电”的技术。
因此，需要利用其他能源替代电能来给高温电解技术供热，最理想的“替代品”就是取之不尽、用之不竭的太阳能。但太阳能存在一个问题——能流密度太低，能量分散，无法产生高温。
聚光太阳能是一个很好的“聚能”方式，它通过使用透镜或反射镜等方式把低能流密度的太阳能汇聚到一起，最终可产生上千度的高温。
解决了热源的问题不算完，还有热能输送的难题——怎么把热能最大化的输送给高温电解池？因为高温电解的工作温度极高，即使通过很短的管道来输送热能也会导致高达30%的热损失。
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创新方案 效率卓绝
针对上述问题和挑战，中国科学院电工研究所研究员李鑫团队创新性提出直接耦合式太阳能高温电解制氢的概念和设计方案。该方案将高强度的聚光太阳能直接作用于多孔电极本体，实现高温电解制氢，既省电，又消除了热能传输损失。
▲直接耦合原理图
基于上述方案，团队成功研制出了直接耦合式太阳能高温电解制氢原理样机，揭示了聚光太阳能对电解池浓差极化的影响机理。
样机在光热转换的同时可做到原位电解，提高了设备的集成度，彻底消除了热能的传输损失。
与同规模下电加热高温电解制氢系统相比，该技术使固体氧化物电解池启动速度提高了近12倍，并使包括电解能耗和维持高温的能耗在内的电解总能耗降低了76%。
针对大功率电解应用场景，团队还开发了间接耦合模式下的新型太阳能高温雾化蒸汽发生器，出口温度高达877℃，对应的热效率为60.92%。
基于这一太阳能蒸汽发生器，团队进一步搭建了5kW级的太阳能高温电解间接耦合制氢系统。
这一系统实测电解效率为95.2%，水蒸汽转化率为92%。相比于传统使用电或化石燃料产生蒸汽的电解系统，太阳能高温电解间接耦合制氢系统最高可节电30％。
下一步研究工作将探究高强度入射辐射下，热质传递与电化学动力学的双向强化机制，以进一步提高太阳能高温电解制氢的效率。
通过发展太阳能高温电解制氢技术推动氢能产业的发展，为实现能源绿色发展提供动力。
参考文章：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156255
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.118023
来源：中国科学院电工研究所
责任编辑：宋同舟