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
▲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
